¿Por qué el Big Bang no solo produjo un gran agujero negro?

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Preguntas que a menudo me he preguntado:

1) Si toda la materia y la energía se concentraran en un solo punto en el Big Bang, ¿por qué no era ese un agujero negro o por qué no se formó uno?

2) Si la razón # 1 anterior no formó un agujero negro es una de varias explicaciones como la inflación o cualquier otra cosa, entonces ¿por qué toda la masa y la energía no formaron un gran agujero negro en algún momento finito después de este gran golpe? paso? Por ejemplo, (posiblemente incorrectamente) escuché que la inflación hizo que el universo tuviera el tamaño de una naranja. Bueno, ¿por qué no formó un agujero negro entonces? O una vez que el universo se expandió a, digamos, el tamaño de la luna. ¿Por qué no entonces? Simplemente inserte el tamaño razonable que desee en lugar de "naranja" o "luna". La pregunta es ¿por qué no se formó un agujero negro de toda la materia y la energía después del Big Bang?

Gracias.

black-hole big-bang-theory yadda
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Yadda: sus comentarios sobre las dos excelentes respuestas a continuación muestran que hay algunos fundamentos que debe comprender. Sin ellos, no podrás entender por qué esta pregunta realmente no tiene sentido. Sugeriría estudiar el comportamiento de los modelos GR del espacio-tiempo acercándose a esa singularidad en el tiempo = 0 para ver por qué sus suposiciones son erróneas.
Rory Alsop
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Lea también astronomy.stackexchange.com/questions/6305
Rory Alsop

Respuestas:

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Su problema surge esencialmente al tratar de aplicar la lógica del agujero negro de Schwarzchild, cuyos supuestos se violan al máximo en el Big Bang.

Lo siguiente fue cierto en el Big Bang, y viola la lógica habitual de formación de agujeros negros.

El evento ocurrió en todas partes en el espacio, en realidad no es un punto. En particular, la energía se distribuía uniformemente en todas partes. Por lo tanto, el potencial gravitacional neto era cercano a cero, y no había un punto en el que todo pudiera colapsar. Además, dado que las cosas estaban en todas partes, no había una extensión de vacío (en un espacio-tiempo plano, nada menos) fuera de la región de colapso. Y además, las cosas se movían rápidamente, estaban en un estado muy excitado y no estaban en equilibrio térmico (hasta que la inflación golpeó, y luego las cosas estaban demasiado diluidas y causalmente desconectadas para colapsar en masa).

En cuanto a lo que podríamos describir el universo como en el tiempo , no tenemos idea. La relatividad general tiene una singularidad espacial, y posteriormente no puede decir nada más allá de eso. Se espera que la relatividad general no sea una descripción correcta del espacio-tiempo en la era previa a la inflación, en gran parte porque la mecánica cuántica introduce efectos significativos en esas condiciones, y es bien sabido que las dos teorías son incompatibles.t=0

Editar:

Esta pregunta ha sido formulada en la física SE muchas veces.

/physics//q/20394/55483

/physics//q/3294/55483

/physics//q/26435/55483

Quizás las respuestas allí sean esclarecedoras.

zibadawa timmy
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Tanto el agujero negro como las singularidades del Big Bang son espaciales. Aunque si insiste en aplicar los conceptos newtonianos aquí, entonces el teorema de la cáscara de Newton significa que todo puede colapsar en cada punto, lo cual es moralmente similar al big bang en reversa de todos modos. Por supuesto, no hay problema con un big bang 'newtonizado' porque nunca forman agujeros negros, por lo que no estoy seguro de si eso aborda la pregunta, pero tal vez eso podría desarrollarse más.
Stan Liou
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@yadda Esas cosas son simplificaciones, que son inevitablemente engañosas. El factor de escala va a cero en , pero el universo permanece infinito en extensión en todos los demás momentos (a menos que supongamos que es finito, pero esto es una suposición poco común para mí). La densidad llega al infinito en todas partes, no en un solo punto. Y todo el asunto "realmente denso hace un agujero negro" es un argumento que requiere suposiciones que no se satisfacen en el Big Bang. t=0
zibadawa timmy
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@yadda si considera que el Sol está aislado o, en general, el campo gravitacional en cualquier cuerpo aislado, esféricamente simétrico, entonces lo describe el espacio-tiempo de Schwarzschild. Si de alguna manera lo encoges, entonces obviamente obtienes un agujero negro de Schwarzschild. Entonces, lo que ha aprendido es cierto, pero es altamente específico para un contexto particular, y su error es generalizar a partir de las propiedades incorrectas de ese contexto.
Stan Liou el
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@yadda He agregado algunos enlaces a la física SE, donde esta pregunta se ha formulado y respondido muchas veces. En resumen, hay dos posibilidades: funciona como lo desees porque las cosas son lo suficientemente agradables o no porque no lo son. En la cosmología temprana estamos en el último caso, y ningún "tiempo específico" va a cambiar esta dicotomía. Avance el tiempo suficiente y se formarán agujeros negros de la manera que espera en las formas a pequeña escala a las que estamos acostumbrados. Antes de eso y las condiciones no son las correctas. Es como esperar cubitos de hielo en el centro del sol.
zibadawa timmy
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@OlegMihailik Eso es falso. Hay muchos más requisitos que simplemente "suficiente masa dentro de un radio". Ese es exactamente el argumento para la formación de un agujero negro de Schwarzchild. Es bastante correcto en el universo como lo es hoy, pero no es aplicable poco después del Big Bang. GR tiene mucho más que solo masa y radios. Ver también la respuesta de Stan.
zibadawa timmy
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Un agujero negro es una región del espacio-tiempo separada por un horizonte de eventos, lo que significa que no se pueden propagar señales desde el interior, sin importar cuánto tiempo se espere. Localmente, no hay nada especial sobre el horizonte de eventos; Si cae en un agujero negro, no hay nada marcado que haya cruzado y ningún experimento local (corto en espacio y duración) que le dirá que ya está condenado. La observación conceptual más importante aquí es que un "agujero negro" significa que no se define por las condiciones locales, sino por la estructura del espacio-tiempo a mayor escala.

Eso significa que pensar en los agujeros negros como esencialmente determinados por una densidad particular es un error. Esto se confirma si observa la densidad de un caso simple de un agujero negro de Schwarzschild: cuanto más grande es el agujero negro, menos denso es (aunque para el volumen, se aplican algunas advertencias ). No hay un "punto de densidad" mágico para los agujeros negros; si algo forma o no un agujero negro está determinado por las condiciones globales del espacio-tiempo.

EDITAR : el punto de @zibadawa timmy con respecto a la uniformidad es muy relevante. Como todos los puntos en el espacio son equivalentes, no hay un punto especial alrededor del cual se pueda formar un horizonte de eventos absoluto para encerrarlo de manera independiente del observador, y por lo tanto no hay un agujero negro. Esta es la diferencia más importante en la que la estructura espacio-tiempo a gran escala en las soluciones de Big Bang es muy diferente de los escenarios de colapso estelar.

1) Si toda la materia y la energía se concentraran en un solo punto en el Big Bang, ¿por qué no era ese un agujero negro o por qué no se formó uno?

La materia y la energía no eran necesariamente concentradas en un solo punto. Solo hay cosmologías de Big Bang para las que eso es incluso una analogía viable que son las que involucran un universo cerrado, que definitivamente no son todas. Pero esa es una idea equivocada por separado.

Pero por lo que sabemos, la densidad local en cada punto hizo divergen hasta el infinito en el pasado finito. Por lo que todavía tiene sentido preguntarse por qué no lo que causa la formación de un agujero negro. Pero la respuesta a eso es simple: no lo hizo porque no hay razón para hacerlo, ya que la magnitud de la densidad local no es relevante.

La pregunta es ¿por qué no se formó un agujero negro de toda la materia y la energía después del Big Bang?

No necesitamos un mecanismo especial para prevenirlo porque no hay una razón general para que se convierta en un agujero negro en primer lugar.

Califico con 'general' aquí porque hay un sentido en el que una cosmología de universo cerrado ya es como el interior de un agujero negro, y el universo en su conjunto podría incluso volver a colapsar como un Big Crunch , imitando el tipo más común de colapso estelar en un agujero negro Sin embargo, The Big Crunch se descarta empíricamente por el descubrimiento de que la expansión cosmológica se está acelerando.

Por lo tanto, una vez más, si forma o no (algo así como) un agujero negro depende de la estructura a gran escala del espacio-tiempo, no importa cuán grande o pequeña sea la densidad local.

Stan Liou
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@yadda Sospecho que la mayor parte del problema radica no en lo que leyeron, sino en su interpretación personal de lo que leyeron. He proporcionado mis razones, pero también puede consultar wikipedia en agujeros negros para oraciones como esta: "la densidad promedio de un agujero negro de masa solar de es comparable a la del agua", lo cual es correcto, completamente trivial de verificar para cualquiera, e incluso para el paranoico. Esto ilustra el hecho de que uno debe considerar la estructura del espacio-tiempo a mayor escala para ver si se forma o no un agujero negro, y no solo mirar un número de densidad bruta. 108
Stan Liou
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@yadda Como he dicho (y Stan te dijo en un comentario sobre mi respuesta), el argumento "empacar suficiente masa / energía en un espacio lo suficientemente pequeño ..." solo es válido para los agujeros negros de Schwarzschild. Esto supone que tiene una densidad de masa que gravita hacia un punto dentro de un espacio-tiempo plano más grande (aproximadamente) que se encuentra (aproximadamente) en el estado de vacío. Esto se viola extremadamente en condiciones de Big Bang. Las singularidades en GR no todas tienen una caracterización única. Solo podemos describir significativamente algunos casos de los muchos concebibles, y cada uno es significativamente diferente del anterior.
zibadawa timmy
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@yadda Como dije en la primera oración de esta respuesta, un agujero negro es una región encerrada por un horizonte de eventos. Eso es lo que el término 'agujero negro' medios . Si "no estás haciendo eso" y "no te importa el horizonte de eventos", entonces ni siquiera estás hablando de agujeros negros. Es así de simple.
Stan Liou
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@yadda un horizonte de sucesos tiene todo que ver con esto, ya que su presencia o ausencia determina directamente si el agujero negro formado, por tanto, responder directamente a su pregunta. "Formas de agujeros negros" significa "formas de horizonte de eventos", porque esa es la presencia del horizonte de eventos es la propiedad definitoria de los agujeros negros. Su insistencia en que es irrelevante es un poco como pedir que se muestre por qué alguien es soltero y no se le permite referirse a su estado civil de ninguna manera. Es una condición completamente ridícula porque es parte del significado esencial de los términos que estamos discutiendo.
Stan Liou el
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@ yadda 1) ninguno de los dos determina físicamente al otro; literalmente significan lo mismo, cf. primera página de la primera oración de Wikipedia , o una explicación posterior o elaboraciones posteriores, como "la característica definitoria de un agujero negro es la aparición de un horizonte de eventos" 2) ok.
Stan Liou el
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Lo que dicen los científicos es que la masa no existía la primera vez que era pura energía, y la inflación ocurrió a velocidades muy altas (más de 50 veces la velocidad de la luz), incluso cuando aparecieron partículas y masa (menos de 1 en mil millones la energía se convirtió en masa, materia y antimateria de la siguiente manera: E = mc ^ 2) hubo una velocidad de expansión muy alta, de modo que se formaron hidrógeno y helio en las tasas (75% H, 25% He y muy poca cantidad de Li ) pero no hay elementos más pesados, según los científicos, las densidades disminuyeron rápida y uniformemente (en términos de minutos debido a las velocidades de expansión), por otro lado, un Blackhole requiere densidades de masa muy altas para formarse.

Entonces sucedió que las condiciones iniciales eran muy diferentes de una gran estrella / supernova y conducían a resultados diferentes.

AMA1123
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No creo que los científicos digan esto. Dicen esto .
Peter dice reinstalar a Mónica
Al menos, eso es lo que entendí de GUT
AMA1123
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Un agujero negro creado, por ejemplo, por el colapso de una estrella tiene un vacío en un lado y la materia se mueve en una dirección (hacia el centro) en el otro, volviéndose más densa a medida que pasa el tiempo.

El Big Bang representa casi exactamente lo contrario: toda la materia estaba rodeada por la misma cantidad de materia igualmente densa y toda la materia se alejaba entre sí. En un universo tan uniforme no hay nada que cause un colapso singular.

Mucho más tarde, cuando la densidad y la tasa de expansión eran más bajas, existe la posibilidad de que el movimiento aleatorio acumule suficiente masa para crear un agujero negro ... sin embargo, en este caso probablemente esté hablando de miles de millones de agujeros negros, lo que en este momento sería innumerables agujeros negros muy grandes.

Jack Spite
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¿Quién dijo que no produjo un gran agujero negro?

Es muy posible que vivamos dentro de un gran agujero negro. Si aplica la masa hipotética de nuestro Universo a la ecuación del radio de Schwarzschild , el radio resultante no estará demasiado lejos (en orden de magnitud) al radio observable del Universo visible. De hecho, lo que llamamos "Big Bang" puede ser simplemente la formación de nuestro "universo de agujeros negros" a partir de una estrella anterior en otro Universo (por lo tanto, la teoría de un "Multiverso"). Eso explica al menos por qué nuestro Universo es finito , pero la luz o la materia aparentemente no pueden escapar de él.

Esto se propuso por primera vez hace al menos 45 años ( aquí ), no sé por qué no es más popular, ya que es tan fascinante. (Si vives en un país pobre, creo que la ciencia debería ser universal, y no solo para los ricos, sugiero usar sci-hub , como aquí ).

Las respuestas a esta pregunta explican la idea con más detalle.

Rodrigo
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