E se o Large Bang não fosse o começo? Pesquisas sugerem que pode ter ocorrido dentro de um buraco negro

O Large Bang é frequentemente descrito como o nascimento explosivo do universo – um momento singular em que o espaço, o tempo e a matéria surgiram. Mas e se isso não fosse o começo? E se nosso universo surgisse de outra coisa – algo mais acquainted e radical ao mesmo tempo?

Em um novo artigo, Publicado em Revisão Física D (pré -impressão completa aqui), meus colegas e eu propomos uma alternativa impressionante. Nossos cálculos sugerem que o Large Bang não foi o começo de tudo, mas o resultado de uma crise ou colapso gravitacional que formou um buraco negro muito maciço – seguido por um salto dentro dele.

Essa idéia, que chamamos de universo do buraco negro, oferece uma visão radicalmente diferente das origens cósmicas, mas é fundamentada inteiramente em física e observações conhecidas.

Hoje Modelo cosmológico padrãocom base na inflação large bang e cósmica (a idéia de que o universo inicial explodiu rapidamente em tamanho) foi notavelmente bem -sucedido em explicar a estrutura e a evolução do universo. Mas tem um preço: deixa algumas das questões mais fundamentais sem resposta.

Por um lado, o modelo Large Bang começa com uma singularidade – um ponto de densidade infinita Onde as leis da física se quebram. Esta não é apenas uma falha técnica; É um profundo problema teórico que sugere que não entendemos realmente o começo.

Para explicar a estrutura em larga escala do universo, os físicos introduziram uma breve fase de rápida expansão no universo inicial chamado inflação cósmicaalimentado por um campo desconhecido com propriedades estranhas. Mais tarde, para explicar a expansão acelerada observada hoje, eles adicionaram outro componente “misterioso”: energia escura.

Em suma, o modelo padrão de cosmologia funciona bem – mas apenas Apresentando novos ingredientes Nunca observamos diretamente. Enquanto isso, as perguntas mais básicas permanecem abertas: De onde tudo veio? Por que começou assim? E por que o universo é tão plano, suave e grande?

Novo modelo

Nosso novo modelo aborda essas perguntas de um ângulo diferente – olhando para dentro em vez de para fora. Em vez de começar com um universo em expansão e tentar rastrear como começou, consideramos o que acontece quando uma coleção excessivamente densa de matéria cai sob gravidade.

Este é um processo acquainted: as estrelas entram em colapso em buracos negros, que estão entre os objetos mais bem compreendidos da física. Mas o que acontece dentro de um buraco negro, além do horizonte do evento, do qual nada pode escapar, continua sendo um mistério.

Em 1965, o físico britânico Roger Penrose provou que em condições muito gerais, O colapso gravitacional deve levar a uma singularidade. Este resultado, estendido pelo falecido físico britânico Stephen Hawking e outrossustenta a idéia de que as singularidades – como a do Large Bang – são inevitáveis.

A idéia ajudou a conquistar a Penrose uma parte do Prêmio Nobel de 2020 em física e inspirou o finest -seller world de Hawking Uma breve história do tempo: do Large Bang aos buracos negros. Mas há uma advertência. Esses “teoremas de singularidade” dependem de “física clássica”, que descreve objetos macroscópicos comuns. Se incluirmos os efeitos da mecânica quântica, que governam os pequenos microcosmos de átomos e partículas, como devemos em densidades extremas, a história pode mudar.

Em Nosso novo artigomostramos que o colapso gravitacional não precisa terminar em uma singularidade. Encontramos uma solução analítica exata – um resultado matemático sem aproximações. Nossa matemática mostra que, à medida que nos aproximamos da singularidade potencial, o tamanho do universo muda como uma função (hiperbólica) do tempo cósmico.

Esta solução matemática simples descreve como uma nuvem de matéria em colapso pode atingir um estado de alta densidade e depois saltar, recuperando para fora em uma nova fase de expansão.

Mas por que os teoremas de Penrose proíbem esses resultados? Tudo se deve a uma regra chamada Princípio de exclusão quânticaque afirma que duas partículas idênticas conhecidas como férmions podem ocupar o mesmo estado quântico (como momento angular ou “spin”).

E mostramos que essa regra impede que as partículas na matéria em colapso sejam espremidas indefinidamente. Como resultado, o colapso pára e reverte. O salto não é apenas possível – é inevitável nas condições certas.

Crucialmente, esse salto ocorre inteiramente dentro da estrutura da relatividade geral, que se aplica a grandes escalas, como estrelas e galáxias, combinadas com os princípios básicos da mecânica quântica – nenhum campo exótico, dimensões extras ou física especulativa necessária.

O que surge do outro lado do salto é um universo notavelmente como o nosso. Ainda mais surpreendentemente, o rebote produz naturalmente as duas fases separadas da expansão acelerada – a Inflação e a Energia Escura – não foram conduzidas por campos hipotéticos, mas pela física do próprio salto.

Previsões testáveis

Um dos pontos fortes desse modelo é que ele faz previsões testáveis. Prevê uma quantidade pequena, mas diferente de zero, de curvatura espacial positiva-significando o universo não é exatamente planomas ligeiramente curvado, como a superfície da terra.

Esta é simplesmente uma relíquia da pequena densidade inicial inicial que desencadeou o colapso. Se observações futuras, como o em andamento Missão EuclidConfirme uma pequena curvatura positiva, seria uma dica forte de que nosso universo realmente surgiu de tal salto. Também faz previsões sobre a taxa de expansão do universo atual, algo que já foi verificado.

O foguete SpaceX Falcon 9 carregando a missão Euclid da ESA na plataforma de lançamento em 2023. Crédito da imagem: ESAAssim, CC BY-SA

Este modelo faz mais do que consertar Problemas técnicos com cosmologia padrão. Também poderia lançar uma nova luz sobre outros mistérios profundos em nossa compreensão do universo inicial – como a origem dos buracos negros supermassivos, a natureza da matéria escura ou a formação hierárquica e a evolução das galáxias.

Essas perguntas serão exploradas por futuras missões espaciais, como Arrakihsque estudarão características difusas, como halos estelares (uma estrutura esférica de estrelas e grupos globulares ao redor das galáxias) e galáxias de satélite (galáxias menores que orbitam maiores) difíceis de detectar com os telescópios tradicionais da Terra e nos ajudarão a entender a matéria escura e a evolução da galáxia.

Esses fenômenos também podem estar ligados a objetos compactos relíquios – como buracos negros – que se formaram durante a fase de colapso e sobreviveram ao salto.

O universo do buraco negro também oferece uma nova perspectiva em nosso lugar no cosmos. Nesta estrutura, todo o nosso universo observável está dentro do inside de um buraco negro formado em algum universo “pai” maior.

Não somos especiais, não mais do que a Terra estava na visão de mundo geocêntrica que levou Galileu (o astrônomo que sugeriu que a terra gira em torno do sol nos séculos XVI e XVII) a ser colocada em prisão domiciliar.

Não estamos testemunhando o nascimento de tudo, desde nada, mas a continuação de um ciclo cósmico – um moldado pela gravidade, mecânica quântica e pelas profundas interconexões entre eles.

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