¿Era el universo un agujero negro al principio?

Question

La cosmología del Big Bang, hasta donde yo entiendo, dice que el universo era súper caliente y súper denso y súper pequeño. Parece que toda la materia actual, vista y no vista, estaba comprimida a una distancia infinitesimal, lo que significa que era un agujero negro.

1. ¿El big bang, y la expansión de nuestro universo en este caso, no es más que una evaporación negra a través de la radiación de Hawking?

2. ¿Vivimos dentro de esa explosión del agujero negro primordial?

Answer 1

Aquí está una copia de una respuesta que escribí hace algún tiempo para la FAQ de Física http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Relativity/BlackHoles/universe.html

¿Es el Big Bang un agujero negro?

Esta pregunta puede convertirse en varias preguntas más específicas con diferentes respuestas.

¿Por qué el universo no se colapsó y formó un agujero negro al principio?

A veces a la gente le cuesta entender por qué el Big Bang no es un agujero negro. Al fin y al cabo, la densidad de la materia en la primera fracción de segundo era mucho mayor que la encontrada en cualquier estrella, y se supone que la materia densa curva fuertemente el espaciotiempo. Con una densidad suficiente debe haber materia contenida en una región más pequeña que el radio de Schwarzschild para su masa. Sin embargo, el Big Bang se las arregla para no quedar atrapado dentro de un agujero negro de su propia creación y, paradójicamente, el espacio cercano a la singularidad es en realidad plano en lugar de curvarse fuertemente. ¿Cómo puede ser esto?

La respuesta corta es que el Big Bang se sale con la suya porque se está expandiendo rápidamente cerca del principio y el ritmo de expansión está disminuyendo. El espacio puede ser plano aunque el espaciotiempo no lo sea. La curvatura del espaciotiempo puede provenir de las partes temporales de la métrica del espaciotiempo que mide la desaceleración de la expansión del universo. Así pues, la curvatura total del espaciotiempo está relacionada con la densidad de la materia, pero hay una contribución a la curvatura procedente de la expansión, así como de cualquier curvatura del espacio. La solución de Schwarzschild de las ecuaciones gravitacionales es estática y demuestra los límites impuestos a un cuerpo esférico estático antes de que deba colapsar hasta convertirse en un agujero negro. El límite de Schwarzschild no se aplica a la materia en rápida expansión.

¿Cuál es la diferencia entre el modelo del Big Bang y un agujero negro?

Los modelos estándar del Big Bang son las soluciones de Friedmann-Robertson-Walker (FRW) de las ecuaciones del campo gravitatorio de la relatividad general. Pueden describir universos abiertos o cerrados. Todos estos universos FRW tienen una singularidad al principio, que representa el Big Bang. Los agujeros negros también tienen singularidades. Además, en el caso de un universo cerrado la luz no puede escapar, que es justo la definición común de un agujero negro. Entonces, ¿cuál es la diferencia?

La primera diferencia clara es que la singularidad del Big Bang de los modelos FRW se encuentra en el pasado de todos los acontecimientos del universo, mientras que la singularidad de un agujero negro se encuentra en el futuro. Por tanto, el Big Bang es más bien un "agujero blanco": la versión invertida en el tiempo de un agujero negro. Según la relatividad general clásica, los agujeros blancos no deberían existir, ya que no pueden crearse por las mismas razones (de inversión del tiempo) por las que los agujeros negros no pueden destruirse. Pero esto podría no aplicarse si siempre han existido.

Pero los modelos estándar del Big Bang FRW también son diferentes de un agujero blanco. Un agujero blanco tiene un horizonte de sucesos que es lo contrario del horizonte de sucesos de un agujero negro. Nada puede pasar a este horizonte, al igual que nada puede escapar del horizonte de un agujero negro. A grandes rasgos, ésta es la definición de un agujero blanco. Obsérvese que habría sido fácil demostrar que el modelo FRW es diferente de una solución estándar de agujero negro o blanco, como las soluciones estáticas de Schwarzschild o las soluciones rotativas de Kerr, pero es más difícil demostrar la diferencia con un agujero negro o blanco más general. La verdadera diferencia es que los modelos FRW no tienen el mismo tipo de horizonte de sucesos que un agujero blanco o negro. Fuera del horizonte de sucesos de un agujero blanco hay líneas del mundo que pueden remontarse al pasado indefinidamente sin llegar a encontrarse con la singularidad del agujero blanco, mientras que en una cosmología FRW todas las líneas del mundo se originan en la singularidad.

Aun así, ¿podría el Big Bang ser un agujero blanco o negro?

En la respuesta anterior me he limitado a argumentar que el modelo estándar de Big Bang FRW es distinto de un agujero blanco o negro. El universo real puede ser diferente del universo FRW, así que ¿podemos descartar la posibilidad de que sea un agujero blanco o negro? No voy a entrar en cuestiones como si realmente hubo una singularidad, y asumiré aquí que la relatividad general es correcta.

El argumento anterior en contra de que el Big Bang sea un agujero negro sigue siendo válido. La singularidad del agujero negro siempre se encuentra en el cono de luz futuro, mientras que las observaciones astronómicas indican claramente un Big Bang caliente en el pasado. La posibilidad de que el Big Bang sea en realidad un agujero blanco sigue vigente.

El principal supuesto de las cosmologías FRW es que el universo es homogéneo e isótropo a gran escala. Es decir, que tiene el mismo aspecto en todas partes y en todas las direcciones en cualquier momento. Hay buenas pruebas astronómicas de que la distribución de las galaxias es bastante homogénea e isótropa a escalas mayores que unos cientos de millones de años luz. El alto nivel de isotropía de la radiación cósmica de fondo es una fuerte evidencia que apoya la homogeneidad. Sin embargo, el tamaño del universo observable está limitado por la velocidad de la luz y la edad del universo. Sólo vemos hasta unos diez o veinte mil millones de años luz, lo que es unas 100 veces mayor que las escalas en las que se ve la estructura en las distribuciones de las galaxias.

La homogeneidad siempre ha sido un tema debatido. El universo en sí puede ser muchos órdenes de magnitud más grande de lo que podemos observar, o incluso puede ser infinito. El astrónomo Martin Rees compara nuestra visión con la de un barco en medio del océano. Cuando miramos más allá de las perturbaciones locales de las olas, vemos un paisaje marino aparentemente interminable y sin rasgos. Desde un barco, el horizonte está a unas pocas millas de distancia, y el océano puede extenderse cientos de millas antes de llegar a tierra. Cuando miramos al espacio con nuestros mayores telescopios, nuestra visión también está limitada a una distancia finita. Por muy liso que parezca, no podemos suponer que continúe así más allá de lo que podemos ver. Por tanto, la homogeneidad no es segura en escalas mucho mayores que el universo observable. Podemos argumentar a favor de ella por motivos filosóficos, pero no podemos demostrarla.

En ese caso, debemos preguntarnos si existe un modelo de agujero blanco para el universo que sea tan coherente con las observaciones como los modelos FRW. Algunos piensan inicialmente que la respuesta debe ser no, porque los agujeros blancos (al igual que los agujeros negros) producen fuerzas de marea que estiran y comprimen en diferentes direcciones. De ahí que sean bastante diferentes de lo que observamos. Esto no es concluyente, porque sólo se aplica al espaciotiempo de un agujero negro en ausencia de materia. En el interior de una estrella las fuerzas de marea pueden estar ausentes.

Un modelo de agujero blanco que se ajuste a las observaciones cosmológicas tendría que ser el reverso temporal de una estrella que colapsa para formar un agujero negro. En una buena aproximación, podríamos ignorar la presión y tratarla como una nube esférica de polvo sin más fuerzas internas que la gravedad. El colapso estelar se ha estudiado intensamente desde el trabajo seminal de Snyder y Oppenheimer en 1939 y este caso sencillo se entiende bien. Es posible construir un modelo exacto de colapso estelar en ausencia de presión pegando cualquier solución de FRW en el interior de la estrella esférica y una solución de Schwarzschild en el exterior. El espacio-tiempo dentro de la estrella sigue siendo homogéneo e isótropo durante el colapso.

De ello se deduce que la inversión temporal de este modelo para una esfera de polvo en colapso es indistinguible de los modelos FRW si la esfera de polvo es mayor que el universo observable. En otras palabras, no podemos descartar la posibilidad de que el universo sea un agujero blanco muy grande. Sólo esperando muchos miles de millones de años hasta que el borde de la esfera se haga visible podríamos saberlo.

Hay que admitir que si abandonamos los supuestos de homogeneidad e isotropía, existen muchos otros modelos cosmológicos posibles, incluidos muchos con topologías no triviales. Esto hace que sea difícil derivar algo concreto de tales teorías. Pero esto no ha impedido a algunos cosmólogos valientes e imaginativos pensar en ellas. Una de las posibilidades más excitantes fue considerada por C. Hellaby en 1987, quien imaginó la creación del universo como una cadena de cuentas de agujeros aislados que explotan independientemente y se fusionan en un universo en un momento determinado. Todo ello se describe mediante una única solución exacta de la relatividad general.

Hay un último giro en la respuesta a esta pregunta. Stephen Hawking ha sugerido que, una vez que se tienen en cuenta los efectos cuánticos, la distinción entre agujeros negros y agujeros blancos podría no ser tan clara como parece a primera vista. Esto se debe a la "radiación Hawking", un mecanismo por el que los agujeros negros pueden perder materia. Un agujero negro en equilibrio térmico con la radiación circundante podría ser simétrico en el tiempo, en cuyo caso sería igual que un agujero blanco. Esta idea es controvertida, pero de ser cierta significaría que el universo podría ser un agujero blanco y un agujero negro al mismo tiempo. Tal vez la verdad sea aún más extraña. En otras palabras, ¿quién sabe?