Un equipo de científicos está proponiendo una alternativa audaz a la teoría del Big Bang, lo que sugiere que nuestro universo puede haberse formado dentro de un agujero negro colosal que reside en un universo matriz más grande. La teoría del Big Bang, junto con la relatividad general de Einstein, ha explicado con éxito fenómenos cosmológicos importantes, incluido el fondo de microondas cósmico, la estructura a gran escala del universo y su aceleración de la expansión a menudo vinculada a la energía oscura.
Sin embargo, los problemas fundamentales permanecen con esta teoría, como la naturaleza inexplicable de la energía oscura y la materia oscura, la singularidad en el Big Bang e inconsistencias entre la relatividad general y la mecánica cuántica. «La mayoría de los científicos han respondido proponiendo una nueva forma misteriosa de energía, (llamada) energía oscura, o modificando las leyes de la física», dijo Enrique Gaztañaga, profesor de la Universidad de Portsmouth, a Space.com. «Pero estos son pasos drásticos».
Gaztañaga dice que él y sus colegas se preguntaron si una explicación más simple podría ser suficiente. «(Nuestro estudio) comenzó con una pregunta simple pero profunda: ¿por qué se acelera la expansión del universo?» dijo. «Todo nuestro universo observable se encuentra dentro de su propio radio gravitacional, lo que significa que desde el exterior, aparecería como un agujero negro. Eso condujo a una idea radical: ¿qué pasaría si el universo se formara de la misma manera que una estrella se derrumba en un agujero negro?»
Se cree que el universo comenzó como un punto extremadamente caliente y denso conocido como una singularidad que sufrió una rápida expansión solo fracciones de un segundo después del Big Bang. «Si rebobinamos esa expansión utilizando leyes físicas conocidas, eventualmente alcanzamos un punto de densidad infinita, una singularidad, donde el espacio, el tiempo y la materia parecen comenzar», dijo Gaztañaga. «Debido a que la física se descompone en ese momento, a menudo se ha interpretado como un evento de creación: el comienzo de todo».
El nuevo estudio explora la idea de que el universo puede no haber comenzado con una singularidad, sino que surgió del colapso de una nube masiva de materia en otro universo. Para investigar, el equipo de investigación realizó simulaciones en busca de una solución que pudiera abordar algunas de las inconsistencias en las teorías cosmológicas actuales, e inesperadamente descubrió que ya existe una solución analítica exacta que describe los principios fundamentales de este proceso.
«En las condiciones correctas, este colapso no termina en una singularidad; en cambio, rebota y comienza a expandirse nuevamente», dijo Gaztañaga. «Ese rebote imita lo que llamamos Big Bang».
Si bien se han propuesto «escenarios de rebotes» en el pasado, este modelo se destaca al depender únicamente de las leyes conocidas de la física. Evita la introducción de partículas o fuerzas especulativas y describe un colapso puramente gravitacional que ocurre dentro de un agujero negro.
«En la mecánica cuántica, dos partículas idénticas (como electrones o neutrones) no pueden ocupar el mismo estado: no pueden estar en el mismo lugar al mismo tiempo», explicó Gaztañaga. «Este principio crea una especie de presión, llamada presión de degeneración, que resiste la compresión. Es lo que evita que los núcleos de estrellas moribundas se derrumben sin cesar, y es lo que puede desencadenar una explosión de supernovas. En nuestro modelo, es este mismo efecto cuántico que detiene el colapso del universo y hace que lo rebote».
Una hipótesis no incluida en el documento actual es que la gravedad interactúa directamente con el campo Higgs, un campo cuántico subatómico responsable de dar masa de partículas, según lo confirmado por los experimentos en el gran colider de hadrones.
En entornos muy densos y de alta energía, los efectos cuánticos se vuelven importantes, dice Sravan Kumar, investigador visitante en la Universidad de Portsmouth y otro de los autores del estudio. Si la gravedad interactúa con el campo Higgs en estas condiciones, esta interacción podría cambiar la forma en que se comporta la gravedad. Por ejemplo, si la interacción entre la gravedad y el campo Higgs se vuelve repulsiva a densidades de energía extremadamente altas, podría contrarrestar el colapso gravitacional. En lugar de colapsar en una singularidad, el universo podría rebotar, revertiendo de la contracción a la expansión.
«Esto podría explicar las altas densidades observadas en los datos de fondo de microondas cósmicos y sugerir que un rebote gravitacional podría vincular naturalmente la gravedad con la mecánica cuántica, sin necesidad de nuevas teorías especulativas», dijo Kumar.
«(Si hay suficiente materia), la gravedad supera a las fuerzas cuánticas como la presión de degeneración (que puede estabilizar diferentes tipos de estrellas del colapso)», agregó Swaraj Pradhan, un estudiante de maestro visitante en la Universidad de Portsmouth y otro de los contribuyentes del estudio. «Si bien entendemos estas fuerzas en enanos blancos y estrellas de neutrones, no tenemos datos de primera mano en las densidades extremas después de que se forman agujeros negros.
«En lugar de presumir una singularidad donde falla la física, es justo pensar que los efectos cuánticos pueden prevenir singularidades reales», continuó Pradhan. «La respuesta más honesta es que aún no lo sabemos con certeza. Nuestro modelo simplemente extrapola (ideas) bien probadas y permanece consistente con la física conocida».
El modelo predice una pequeña curvatura espacial positiva del universo y la existencia de objetos de reliquia, como agujeros negros primordiales o estrellas de neutrones, formadas antes de un rebote cósmico.
«El rebote gravitacional de nuestro modelo se basa en una pequeña curvatura espacial positiva del universo, una consecuencia de la masa finita y el radio del agujero negro en el que el universo ha colapsado, y el principio de exclusión de Pauli indicando que no dos partículas cuánticas, más fermiones específicos, no pueden ocupar el mismo estado cuántico simultáneamente», explicó Michael Michael Gabler, investigador en la Universidad de las Valencias de los autores de los estudios. «El colapso ocurre completamente en el marco de la teoría de la relatividad general de Einstein, y esperamos la existencia de objetos de reliquia, como los agujeros negros primordiales o las estrellas de neutrones, formadas antes de un rebote cósmico».
«Si encontramos tales reliquias, especialmente en el universo temprano, sería una fuerte evidencia a favor (de esta teoría)», agregó Gaztañaga. «De hecho, algunos resultados tempranos del telescopio espacial James Webb (JWST) han encontrado galaxias sorprendentemente antiguas cercanas al origen del universo. Estos hallazgos pueden ser difíciles de reconciliar con la línea de tiempo estándar de Big Bang, pero podrían tener sentido si las primeras reliquias como los agujeros negros supermasivos ayudan a las galaxias a formar galaxias más rápidas.
«Por supuesto, sugiriendo que el Big Bang no fue el comienzo absoluto de todo es controvertido», continuó Gaztañaga. «(Los científicos) pueden ser reacios a ir más allá de los modelos familiares. Pero desafiar los supuestos de larga data es esencial para el progreso científico».
