- Un nuevo artículo en Physical Review D interpreta el Big Bang no como el punto de partida de todo, sino como el resultado de un rebote (bounce) ocurrido en el interior tras el colapso gravitacional que formó un agujero negro muy masivo
- La cosmología estándar explica la estructura y evolución del universo con el Big Bang, la inflación cósmica y la energía oscura, pero deja problemas fundamentales como la singularidad y componentes que no se han observado directamente
- El nuevo modelo aplica el principio de exclusión cuántica para mostrar que la materia en colapso no se comprime infinitamente, sino que puede detenerse en un estado de alta densidad y luego volver a expandirse
- El rebote se aborda dentro de los principios básicos de la relatividad general y la mecánica cuántica, y considera que no requiere física especulativa como campos exóticos o dimensiones adicionales
- Si las observaciones confirmaran que el universo no es completamente plano y tiene una pequeña curvatura espacial positiva, eso podría ser una fuerte pista a favor de un modelo cosmológico con origen en un rebote
Un modelo que ve el Big Bang no como inicio, sino como rebote
- Un nuevo artículo publicado en Physical Review D propone que el Big Bang quizá no fue el comienzo de todo, sino el resultado de un rebote ocurrido dentro de un agujero negro muy masivo formado por colapso gravitacional
- Este modelo se conoce como universo-agujero negro (black hole universe) y plantea un origen del universo de una manera completamente distinta, aunque basado en física conocida y observaciones
- La secuencia sería que un conjunto de materia sobredensa colapsa por gravedad, alcanza una densidad extremadamente alta y, en lugar de formar una singularidad, rebota para dar paso a una nueva fase de expansión
Los vacíos que deja la cosmología estándar
- El modelo cosmológico estándar explica con éxito la estructura y evolución del universo a partir del Big Bang y de la inflación cósmica, la rápida expansión del universo primitivo
- Sin embargo, el modelo del Big Bang comienza en una singularidad de densidad infinita, un punto donde las leyes de la física dejan de funcionar
- Para explicar la estructura a gran escala del universo, los físicos introducen una fase inflacionaria impulsada por un campo desconocido con propiedades extrañas
- La expansión acelerada observada en la actualidad también requiere otro componente desconocido: la energía oscura
- El modelo estándar funciona bien, pero depende de nuevos componentes que no se han observado directamente y deja preguntas como “¿de dónde vino todo?”, “¿por qué empezó de esta manera?” y “¿por qué el universo es tan plano, uniforme y grande?”
Cómo se produciría un rebote dentro de un agujero negro en lugar de una singularidad
- En vez de rastrear hacia atrás un universo en expansión, el nuevo modelo analiza qué ocurre en el interior cuando materia sobredensa colapsa por gravedad
- El proceso por el que una estrella colapsa y se convierte en un agujero negro es conocido, pero el interior del horizonte de sucesos, del que nada puede escapar, sigue siendo un misterio
- Roger Penrose demostró en 1965 que, bajo condiciones generales, el colapso gravitacional debía conducir a una singularidad, y Stephen Hawking y otros ampliaron esa idea
- Estos teoremas de singularidad respaldan la idea de que singularidades como la del Big Bang serían inevitables
- Penrose compartió el Premio Nobel de Física de 2020 por este trabajo
- Sin embargo, esos teoremas se apoyan en la física clásica, que describe objetos macroscópicos
- En densidades extremas es necesario incluir efectos de la mecánica cuántica, que gobierna el mundo microscópico de átomos y partículas, y entonces la conclusión podría cambiar
Resultados matemáticos y condiciones físicas del nuevo artículo
- El artículo muestra que el colapso gravitacional no tiene por qué terminar necesariamente en una singularidad y presenta una solución analítica exacta sin aproximaciones
- Matemáticamente, calcula que al acercarse a una singularidad potencial, el tamaño del universo cambia como una función hiperbólica del tiempo cósmico
- Esta solución describe cómo una nube de materia en colapso alcanza un estado de alta densidad y luego rebota hacia afuera para entrar en una nueva fase de expansión
- La clave que hace posible el rebote es el principio de exclusión cuántica
- Dos fermiones idénticos no pueden ocupar el mismo estado cuántico, por ejemplo con el mismo espín
- Debido a esta regla, las partículas dentro de la materia en colapso no pueden comprimirse de forma infinita
- Como resultado, el colapso se detiene y se invierte, y bajo ciertas condiciones el rebote no solo sería posible, sino inevitable
- Este rebote ocurre dentro de un marco que combina la relatividad general, aplicable a grandes escalas como estrellas y galaxias, con los principios básicos de la mecánica cuántica
- El modelo considera que no requiere campos exóticos, dimensiones adicionales ni física especulativa
Una explicación alternativa para la inflación y la energía oscura
- El universo que aparece después del rebote podría parecerse mucho al universo actual
- Más aún, el modelo explica que el rebote genera de forma natural dos fases distintas de expansión acelerada: la inflación y la energía oscura
- La interpretación es que ambas fases no surgirían de campos hipotéticos, sino de la física del propio rebote
Predicciones comprobables y pistas observacionales
- Una de las fortalezas del modelo es que ofrece predicciones comprobables
- El modelo predice que el universo no debería ser exactamente plano, sino tener una curvatura espacial positiva pequeña pero distinta de cero
- Eso se interpreta como una huella de la pequeña sobredensidad inicial que desencadenó el colapso
- Significa que el universo estaría ligeramente curvado, como la superficie de la Tierra
- Si futuras observaciones como la misión Euclid confirman una pequeña curvatura positiva, eso podría ser una fuerte pista de que el universo surgió de este tipo de rebote
- El modelo también hace una predicción sobre la tasa de expansión actual del universo, y considera que esa predicción ya ha sido verificada
Preguntas que se extienden al universo primitivo y la materia oscura
- El modelo de universo-agujero negro podría aportar nuevas pistas, más allá de los problemas técnicos de la cosmología estándar, sobre otros misterios del universo primitivo
- Entre las preguntas relacionadas estarían el origen de los agujeros negros supermasivos, la naturaleza de la materia oscura y la formación y evolución jerárquica de las galaxias
- Futuras misiones espaciales como Arrakhis estudiarán estructuras difusas que son difíciles de detectar con telescopios terrestres tradicionales
- Entre ellas están los halos estelares, estructuras esféricas de estrellas y cúmulos globulares que rodean a las galaxias
- También incluyen las galaxias satélite, que son galaxias pequeñas que orbitan alrededor de galaxias más grandes
- Estas observaciones podrían ayudar a entender la materia oscura y la evolución galáctica
- Objetos compactos remanentes como agujeros negros formados durante la fase de colapso y que sobrevivieron al rebote podrían estar relacionados con estos fenómenos
Una perspectiva sobre nuestra posición dentro del universo
- En el marco del universo-agujero negro, todo el universo observable se encuentra dentro de un agujero negro formado en un universo padre más grande
- Desde esta perspectiva, la posición humana no tiene nada de especial, en contraste con la visión geocéntrica de que la Tierra está en el centro del universo
- En lugar de ver el universo como una escena donde todo nació de la nada, este modelo lo entiende como la continuidad de un ciclo cósmico creado por la gravedad, la mecánica cuántica y la profunda conexión entre ambas
1 comentarios
Comentarios de Hacker News
Es un resumen escrito directamente por el autor del artículo científico, así que está claro. Existe el riesgo de una simplificación excesiva, pero al menos desaparece la posibilidad de que quien escribe no haya entendido la ciencia básica.
Eso sí, me preocupa un mundo en el que los investigadores sean evaluados por el desempeño viral de una entrada de blog más que por el impacto de su investigación.
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Este texto no se basa en teoría de gestión ni en metáforas institucionales, sino en un artículo de física (arXiv:2505.23877).
Lo que el artículo propone en realidad es que el Big Bang pudo haber sido un rebote gravitacional dentro de un agujero negro formado en un universo padre más grande. La presión de degeneración cuántica detiene el colapso antes de que se forme una singularidad, y desde afuera se ve como un agujero negro, pero por dentro se desarrolla como una expansión de 13.800 millones de años. En pocas palabras, es un modelo de colapso relativista con correcciones cuánticas que evita la singularidad e incluye una pequeña curvatura negativa y una fase natural parecida a la inflación, generando predicciones verificables.
La propuesta es considerar, dentro de la relatividad general, el caso de una nube esférica grande y tenue de materia que colapsa. En ese proceso se forma un horizonte de sucesos y, después, desde afuera se ve como un agujero negro normal, mientras que la evolución interna ya no puede verse. En el interior hay una nube de materia, una gran capa de vacío y un horizonte de sucesos.
La mecánica cuántica sugiere que, debido a la presión de degeneración, la ecuación de estado al principio se ve como “polvo tenue”, pero en cierto momento se vuelve cercana a “incompresible”. Bajo varias suposiciones y aproximaciones, se obtiene una solución en la que el interior rebota debido a la presión de degeneración, y desde la perspectiva interna parece surgir una constante cosmológica aparente, mientras que el horizonte cosmológico se correspondería con el horizonte del agujero negro visto desde el exterior.
A lo largo del artículo se insertan números aproximados para argumentar que el tamaño, la masa, la edad y la constante cosmológica aparente de nuestro universo observable son compatibles con este mecanismo, y también trata las perturbaciones y la anisotropía de la radiación cósmica de fondo de una forma algo a mano alzada. Si funcionara bien, sería realmente genial, pero todavía no estoy seguro de que el modelo esté bien establecido internamente, y se ve mucho razonamiento a mano alzada. El ajuste con el universo observado real tampoco me resulta todavía convincente.
Llevo años alejado de la cosmología y no soy físico sino matemático, así que conviene tomar esta evaluación con muchas reservas. Se basa en haber leído el preprint de arXiv, y no seguí todos los cálculos ni todas las referencias.
Además, parece que tampoco aborda la estabilidad cerca del rebote. Creo que en esa región se conoce una inestabilidad anisotrópica de tipo BKL. Con parámetros adecuados, el rebote quizá ocurra antes de que esa inestabilidad crezca, y puede que el artículo o sus referencias afirmen que eso pasa al insertar los números ajustados al universo observado, pero quizá se me haya escapado. Aun así, si todo encajara, el modelo en sí sería sorprendente aunque fuera inestable.
Es difícil siquiera imaginar qué tan grande tendría que ser un universo de 4 dimensiones para contener nuestro universo, y si hubiera más capas, tendría que ser absurdamente más grande. En cambio, dentro de nuestro universo podrían caber fácilmente incontables universos planos.
Si el punto central del texto es el rebote de fermiones, entonces, considerando la cantidad de materia y energía que conocemos, tendría que ser un agujero negro enorme, y me pregunto en qué entorno habría estado para llegar a ese tamaño.
Dicho eso, las teorías y especulaciones sobre universos dentro de agujeros negros ya tienen mucho tiempo, y es una idea que se te puede ocurrir naturalmente al aprender el concepto de horizonte de sucesos, así que me gustaría que se la reconociera un poco más, en vez de presentarla solo como una “alternativa radical y sorprendente”. El diferenciador está en la solución analítica.
Esta teoría tiene dos problemas o preguntas
Primero, necesita un universo padre que no se haya formado dentro de un agujero negro. Entonces tendría que haber un segundo mecanismo de “creación de universos” que quizá no podamos conocer desde dentro de un universo hijo. En vez de un campo desconocido con propiedades extrañas, tendríamos un universo padre desconocido con propiedades extrañas, así que no parece responder la verdadera pregunta de “¿cómo empezó nuestro universo?”
Segundo, el agujero negro del universo padre tendría que contener toda la materia que vemos, por lo que debería ser muchísimo más grande que cualquier agujero negro conocido en nuestro universo. Queda la duda de cómo podría formarse un agujero negro 750 mil millones de veces más grande que el mayor agujero negro conocido
En modelos de agujeros negros como la solución de Schwarzschild, hay una región de espacio-tiempo asintóticamente plano que, desde la perspectiva de nuestro universo, forma parte del agujero negro. La idea de que ocurra algo cerca de la singularidad y nazca un nuevo universo no suena tan descabellada
Si nuestro universo es hijo de otro universo, y ese universo también es hijo de otro, encaja con modelos de multiverso que abordan problemas como “¿por qué los parámetros del universo son así?”. Puede que simplemente estemos, por suerte, en un universo donde podemos vivir, o que haya una especie de selección natural en la que los universos que producen más agujeros negros tienen más hijos
Sobre el tamaño relativo del agujero negro padre: en el universo no necesariamente tiene que aplicarse la conservación de la energía en el sentido general. Una idea es que la energía de enlace gravitacional del universo sea igual al negativo de la masa total del universo, de modo que la suma sea 0; por lo tanto, que esa cantidad sea mayor o menor no violaría nada
Si ese proceso se repite para siempre, si pierde energía en el rebote y, si la pierde, a dónde y cómo va, son preguntas aparte
Que el agujero negro del universo padre tenga que ser mucho más grande es a la vez cierto y no. No se está considerando la contracción. En relatividad, también es posible una situación en la que una escalera de 100 pies quepa dentro de un granero de 10 pies
Sobre todo, para publicar no hace falta saberlo todo de una vez. Si así fuera, nadie podría publicar papers. Que haya críticas es bueno, y esas críticas llevan al siguiente trabajo
Tampoco sabemos si nuestro universo es grande o pequeño comparado con otros universos. No sabemos si comparar tamaños entre universos tiene sentido y, si lo tiene, cómo habría que hacerlo. El Big Bang en sí podría ser la mayor conjetura de la ciencia moderna
Alguna vez leí en algún lado que nuestro universo tridimensional podría estar dentro de un agujero negro de 4 dimensiones. La explicación era que, al cruzar el horizonte de eventos de un agujero negro, la coordenada radial pasa a comportarse como el tiempo, así que se pierde un grado de libertad espacial, mientras que el movimiento en dirección tangencial sigue siendo posible, convirtiéndose en un universo de N-1 dimensiones
Así que nuestro universo tridimensional podría ser materia que cayó en un agujero negro de 4 dimensiones, y nuestros agujeros negros tridimensionales podrían contener universos de Planilandia bidimensionales. El universo exterior de 4 dimensiones también podría estar dentro de un agujero negro de 5 dimensiones, y así sucesivamente
Hace tiempo aposté por c. Porque sería una constante. Quizá todas las constantes sean restos espaguetizados de un universo superior
Además, después de entrar en un agujero negro, la singularidad no es un lugar que puedas pinchar con un palo. La singularidad está en tu futuro del mismo modo en que la muerte está en el futuro
Es un texto interesante, pero aunque el autor tenga razón y el universo se haya formado como un agujero negro de un universo más grande, la pregunta sigue en pie. Entonces, ¿cómo se formó ese universo más grande? Tal vez sea una cuestión incognoscible
Hace unos cientos de años uno podría haber preguntado “¿qué pasa si llegas al borde de la Tierra plana?”, o también “¿qué hay al norte del Polo Norte?”
Aunque parece que no incluye una hipótesis sobre el origen
En ese sentido, un agujero negro podría ser una región donde nuestro universo vuelve de un estado de baja entropía a un estado inicial de entropía casi infinita
Tengo muchísimas preguntas sobre este tema.
No tengo formación formal en física, pero después de enterarme de que la masa de un agujero negro es linealmente proporcional al radio de Schwarzschild, esta idea me empezó a parecer bastante plausible. A medida que aumenta el tamaño de un agujero negro, su densidad total debería disminuir. Si a eso se suma la observación de que nuestro universo tiene una densidad uniforme a gran escala, parecía que debía haber un umbral donde la densidad decreciente de un agujero negro muy grande se encuentra con la densidad fija del universo observable.
Hablé muchas veces de esta pregunta con colegas técnicos a los que les gusta la física, pero nunca obtuve una respuesta clara.
Por otro lado, muchas veces he visto que la energía oscura se explica como si fuera un sustituto de energía real, es decir, como una energía de fondo que acelera el alejamiento de las cosas entre sí, y esa formulación siempre me incomodó. Me parecía más plausible verla más bien como energía negativa, es decir, como una pérdida de energía total.
En un campo clásico, cuando dos objetos se alejan, se almacena energía potencial que puede recuperarse más adelante. La energía oscura no funciona así: cuanto más lejos están los objetos, más rápido se alejan. Desde una perspectiva global, se ve como una pérdida de energía. Esa pérdida también se filtra al mundo cuántico: un fotón que parte con alta frecuencia llega con baja frecuencia.
Por eso me parece más adecuado pensar en la energía oscura como energía que, de alguna forma, se extrae del universo y no vuelve. Podría ser algo como la evaporación de agujeros negros observada desde adentro. Cuando le pregunté a gente que sí sabe, me respondieron que el componente de “energía” de la energía oscura se normaliza como la “tensión” del espacio, pero incluso desde mi posición de alguien que no estudió física en serio, eso no me resultó satisfactorio.
La idea era que en los vacíos entre galaxias el tiempo transcurre más rápido que dentro de las galaxias, y que a escala de todo el universo esa diferencia se acumula mucho. Mi comprensión de este campo es muy limitada, pero esa teoría me gustó bastante y me pareció que tenía cierto sentido.
El tamaño del volumen de Schwarzschild y la densidad se determinan solo por la masa, y cuando está en reposo y no rota, la densidad es inversamente proporcional al cuadrado de la masa. Densidad = 3c⁶/32πG³M².
Un agujero negro supermasivo ronda los 0.5 kg/m³, un nivel entre aire poco denso y agua, mientras que uno de masa estelar ronda 1e19 kg/m³, varios órdenes de magnitud por encima incluso de una estrella de neutrones.
En los medios, el Big Bang suele describirse como “el nacimiento explosivo del universo, en el que espacio, tiempo y materia surgieron a la existencia”. Pero esa no es la teoría aceptada actualmente. “¿Y si antes del Big Bang no existían el espacio ni el tiempo?” se parece más a una teoría personal de Stephen Hawking.
No hay una forma racional y de principio para afirmar algo sobre lo que hubo antes del punto donde nuestras teorías se rompen, y eso incluye la afirmación de que “antes de eso no había absolutamente nada de espacio ni de tiempo”.
Por eso, todo lo que hayas oído sobre “antes del Big Bang” siempre fue especulación. Como los medios científicos siguen cubriendo estas especulaciones, a veces la gente interpreta esa cobertura como si la ciencia estuviera cambiando de postura continuamente. Pero en este tema la ciencia nunca ha tenido una postura justificable de forma consistente. Afirmar certezas no es una afirmación de la ciencia, sino un problema de los medios que no lo dejan claro y escriben como si “la ciencia hubiera descubierto” algo.
En algún momento se pensó que la Tierra era el centro del universo, y luego que el Sol era el centro del universo. El siguiente paso natural parece ser que nuestro universo no es el centro de los universos.
Si todo nuestro universo observable está dentro de un agujero negro surgido en un “universo padre” más grande, ¿no se seguiría que los agujeros negros de nuestro propio universo también contienen universos dentro de ellos, más allá del horizonte de sucesos? Siento que tendría que ser así, y de verdad marea pensarlo.
https://en.wikipedia.org/wiki/White_hole#Big_Bang/Supermassi...
Recomendación de hard SF ligera: Cosm (1999), de Gregory Benford. Trata de un universo del tamaño de una bola de boliche creado en un laboratorio, y de la científica que lo creó intentando mantenerlo a salvo mientras agentes del gobierno la persiguen. Ella intenta proteger ese universo el mayor tiempo posible, pero el tiempo también es relativo al tamaño, así que no hace falta esperar tanto.