en un agujero negro
Si concibes el Universo como el conjunto completo de materia y energía que conocemos, y las primeras etapas lo tenían todo comprimido en una pequeña región del espacio, ¿por qué no colapsó en un agujero negro? Crédito de la imagen: Bibliotecas de Birmingham
Por Ethan Siegel, para Forbes Marzo 23de 2018
Las opiniones expresadas por EthanSiegel, colaborador de Forbes son suyas, exclusivamente.
El Big Bang es una de las ideas más contra-intuitivas que existen. Si piensas en tomar toda la materia y energía en el Universo, y comenzar en una pequeña región del espacio, ¿no parece bastante improbable que se expanda a la velocidad exacta necesaria para darnos el Universo que vemos hoy? ¿No sería mucho más probable que simplemente colapse,gravitatoriamente, en el tipo de objeto más denso que el Universo pueda contener: un agujero negro? Claramente, eso no sucedió. Pero comprender por qué eso no sucedió podría ser una de las preguntas más profundas que puedes hacer para ayudar a dar sentido al Universo en el que vivimos.
El Universo en expansión,lleno de galaxias y la compleja estructura que observamos hoy, surgió de un estado más pequeño, más caliente, más denso y más uniforme. Por qué el Universo se expandió como lo hizo, en lugar de colapsar en un agujero negro, exige una explicación. Crédito de la imagen: C. Faucher-Giguère, A. Lidz, y L. Hernquist, Science 319,5859 (47)
Si supiera, desde los primeros principios, cuáles eran las leyes de la física en todas partes y entodo momento en nuestro Universo, eso aún no sería suficiente para que usted produjera la predicción de que el Universo, tal como lo vemos, debería existir. Porque a pesar de que las leyes de la física establecen las reglas de cómo evoluciona un sistema a lo largo del tiempo, aún necesita un conjunto de condiciones iniciales para comenzar. De alguna manera, la forma en que la tela del Universo se estaba expandiendo en los primeros momentos, podemos concebir el equilibrio de esta tendencia de la materia y la energía a gravitar y colapsar. Para ver cómo funciona todo esto, volvamos al nacimiento de nuestra teoría de la gravedad más exitosa, la relatividad general, hace unos 100 años.
Las órbitas de los planetas ylos cometas, entre otros objetos celestes, se rigen por las leyes dela gravitación universal. Credito de la imagen: Kay Gibson, BallAerospace & Technologies Corp
Antes de Einstein, la Ley de la Gravedad Universal de Newton era la teoría aceptada de la gravedad.Todos los fenómenos gravitacionales en el Universo, desde la aceleración de las masas en la Tierra hasta las órbitas de las lunas alrededor de los planetas y los planetas girando alrededor del Sol, su teoría lo describió todo. Los objetos ejercían fuerzas gravitatorias iguales y opuestas entre sí, se aceleraron en proporción inversa a su masa, y la fuerza obedecía a una ley del cuadrado inverso. Para cuando llegó la década de 1900, había sido probada increíblemente y no había excepciones. Bueno, con miles y miles de éxitos en su haber, casi no hubo excepciones, de todos modos.
Un desafío a la teoría newtoniana fue la idea, presentada por Einstein pero previamente desarrollada por Lorentz, Fitzgerald y otros, de que los objetos que se movían rápidamente parecían contraerse en el espacio y dilatarse en el tiempo. El espacio y el tiempo, de repente, no parecían tan fijos y absolutos. Crédito de la imagen: Curt Renshaw
Pero para los astutos y aquellos queprestaron gran atención al detalle, hubo un par de problemas:
1. A velocidades muy rápidas, es decir, a velocidades que se aproximan a la velocidad de la luz, las ideas de Newton sobre el espacio absoluto y el tiempo absoluto ya no se mantenían. Las partículas radiactivas vivieron más tiempo, las distancias se contrajeron, y la "masa" no pareció ser la fuente fundamental de la gravedad: ese honor parecía que iba a la energía, de la cual la masa es solo una forma.
2. En los campos gravitacionales más fuertes, al menos si se cree que el planeta Mercurio es especial entre los planetas de nuestro Sistema Solar en órbita alrededor del Sol, la predicción newtoniana del comportamiento gravitacional delos objetos está ligeramente pero notablemente fuera de lo que observamos. Es como si, cuando te acercas a una fuente muy masiva,hay una fuerza extra-atractiva que la gravedad newtoniana no explica.
A raíz de esto, hubo dos desarrollosque allanaron el camino para que una nueva teoría reemplazara a labrillante, pero centenaria, concepción de Newton sobre cómofuncionaba el Universo.
En la imagen newtoniana de la gravedad, el espacio y el tiempo son cantidades absolutas y fijas,mientras que en la imagen de Einstein, el espacio-tiempo es una estructura única y unificada donde las tres dimensiones del espacio y la dimensión del tiempo están inextricablemente unidas. Crédito de la imagen: NASA
El primer gran avance fue que el espacio y el tiempo, tratados previamente como un espacio tridimensional separado y una cantidad lineal de tiempo, se unieronen un marco matemático que creó un "espacio-tiempo"cuatridimensional. Esto fue logrado en 1907 por Hermann Minkowski:
Esto funcionó solo para el espacio plano, euclidiano, pero la idea era increíblemente poderosa matemáticamente, ya que condujo a todas las leyes de la relatividad especial como una consecuencia inevitable. Cuando esta idea del espacio-tiempo se aplicó al problema de la órbita de Mercurio, la predicción newtoniana bajo este nuevo marco se acercó un poco más al valor observado, pero aún no se cumplió.
Una representación de un espacio plano y vacío sin materia, energía o curvatura de ningún tipo. Crédito de la imagen: en http://www.livingligo.org/.AmberStuver, de su blog, Living Ligo
Pero el segundo desarrollo vino del propio Einstein, y fue la idea de que el espacio-tiempo no era plano en absoluto, sino que era curvo. Y lo que determinó la curvatura del espacio-tiempo fue la presencia de energía en todas sus formas,incluida la masa. Publicado en 1915, el marco de trabajo de Einstein era increíblemente difícil de calcular, pero presentaba a científicos de todo el mundo con el tremendo potencial de modelar sistemas físicos a un nuevo nivel de precisión y precisión.
El espacio-tiempo de Minkowski correspondía a un Universo vacío, o un Universo sin energía ni materia de ningún tipo.
Innumerables pruebas científicas de la teoría general de la relatividad de Einstein se han llevado a cabo, sometiendo la idea a algunas de las restricciones más estrictas jamás obtenidas por la humanidad. La primera solución de Einstein fue para el límite del campo débil alrededor de una sola masa, como el Sol; aplicó estos resultados a nuestro Sistema Solar con un éxito espectacular. Crédito de la imagen: Colaboración científica de LIGO / T. Pyle / Caltech / MIT
Einstein fue capaz de encontrar una solución donde tenías un Universo con una única fuente de masa en un punto solitario, y con la condición de que estabas fuera de ese punto. Esto se redujo a la predicción newtoniana a grandes distancias, pero dio resultados más fuertes a distancias más cercanas. Estos resultados no solo concordaron con las observaciones de la órbita de Mercurio que la gravedad newtoniana no pudo predecir, sino que hicieron nuevas predicciones sobre la desviación de la luz estelar que sería visible durante un eclipse solar total,predicciones que fueron confirmadas posteriormente durante el eclipse solar de 1919 .
Los resultados de la expedición de Eddington de 1919 mostraron, concluyentemente, que la Teoría General de la Relatividad describía la inclinación de la luz estelar alrededor de objetos masivos, derrocando la imagen newtoniana. Crédito de la imagen: The Illustrated London News, 1919
Pero había otra solución, una sorprendente e interesante, que apareció semanas después de que Einstein publicara su teoría general de la relatividad. Karl Schwarzschild había resuelto más detalles de lo que ocurre con una configuración con una sola masa de puntos solitarios de magnitud arbitraria, y lo que encontró fue notable:
El paraboloide de Flamm, que semuestra aquí, representa la curvatura del espacio-tiempo fuera del horizonte de sucesos de un agujero negro de Schwarzschild. Una vezque caes, todo termina; su mejor apuesta es caer libremente como sicayera del reposo. Solo esa trayectoria maximizará tu tiempo de supervivencia. Crédito de la imagen: Allen McC. de Wikimedia Commons
Entonces, con eso en mente, ¿qué pasa con el Universo temprano, denso y caliente, donde toda la materia y energía actualmente esparcida en 92 mil millones de años luz de espacio estaba contenida en un volumen de espacio no mayor que nuestro propio Sistema Solar?
El tamaño del Universo, enaños luz, versus la cantidad de tiempo que pasó desde el Big Bang.Esto se presenta en una escala logarítmica, con una serie de eventosmemorables anotados para mayor claridad. Credito de la imagen: E.Siegel
Lo que debes tener en cuenta es que, al igual que el espacio-tiempo de Minkowski, la solución de Schwarzschild es estática, lo que significa que la métrica del espacio no evoluciona a medida que avanza el tiempo. Pero hay muchas otras soluciones -el espacio de Sitter, por ejemplo, y la métrica Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker, para otro- que describen los espacios en el espacio que se expanden o contraen.
Si hubiéramos comenzado con la materia y la energía que nuestro Universo tenía en las primeras etapas del Big Bang, y no teníamos un Universo en rápida expansión, sino uno estático y uno donde ninguna de las partículas tenía presión o una velocidad distinta de cero, toda esa energía habría formado un agujero negro de Schwarzschild en un orden extremadamente corto:prácticamente instantáneamente. Pero la relatividad general tiene otra advertencia importante: no solo la presencia de materia y energía determina la curvatura de tu espacio-tiempo, ¡sino que las propiedades y la evolución de todo en tu espacio determina la evolución de ese espacio-tiempo en sí mismo!
Una gráfica de la tasa de expansión aparente (eje y) frente a la distancia (eje x) es consistente con un universo que se expandió más rápido en el pasado, pero que todavía se está expandiendo en la actualidad. Esta es una versión moderna de, que se extiende miles de veces más que el trabajo original de Hubble. Las diversas curvas representan universos hechos de diferentes componentes constituyentes. Crédito de la imagen: Ned Wright, basado en los últimos datos de Betoule et al.(2014)
Lo más notable de esto es que sabemos,desde el momento del Big Bang en adelante, que nuestro universo solo parece tener tres opciones posibles, que dependen del material y la energía presentes en él y de la tasa de expansión inicial:
Resulta que vivimos casi en el caso Goldilocks, con solo un poquito de energía oscura arrojada en lamezcla, lo que hace que la tasa de expansión sea ligeramente mayor,lo que significa que finalmente toda la materia que no está unida gravitacionalmente ya lo hará ser arrojado al abismo del espacio profundo.
Los destinos esperados del Universo (las tres ilustraciones superiores) corresponden a un Universo donde la materia y la energía luchan contra la tasa de expansión inicial. En nuestro Universo observado, una aceleración cósmica es causada por algún tipo de energía oscura, que hasta ahora no ha sido explicada. Crédito de la imagen: E. Siegel / más allá de la galaxia
Lo que es notable es la cantidad de ajuste preciso que tenía que ocurrir para que la velocidad de expansión del universo y la densidad de materia y energía coincidieran tan bien que no volviéramos a recolocar inmediatamente o no formamos ni siquiera los componentes básicos de la materia es algo así como una parte en 1024, que es algo así como tomar dos seres humanos, contar el número de electrones en ellos y descubrir que son idénticos a un electrón. De hecho, si volviéramos a un tiempo en el que el Universo tenía solo un nanosegundo de vida (desde el Big Bang), podemos cuantificar cuán finamente ajustada era la densidad y la velocidad de expansión.
Si el Universo tuviera solo una densidad ligeramente más alta (rojo), ya habría recolocado; si tuviera una densidad ligeramente menor, se habría expandido mucho más rápido y se habría hecho mucho más grande. Crédito de la imagen: El tutorial de cosmología de Ned Wright
El nivel al que deben equilibrarse la tasa de expansión y la densidad de energía total es increíblemente preciso; un pequeño cambio en ese momento habría llevado a un Universo muy diferente al que actualmente observamos. Y, sin embargo,esta situación finamente ajustada describe mucho el Universo que tenemos, que no colapsó inmediatamente y que no se expandió demasiado rápido para formar estructuras complejas. En cambio, dio lugar a toda la maravillosa diversidad de fenómenos nucleares,atómicos, moleculares, celulares, geológicos, planetarios,estelares, galácticos y de agrupamiento que tenemos hoy en día.Tenemos la suerte de estar en este momento, de haber aprendido todo lo que tenemos al respecto y de participar en la empresa de aprender aún más: el proceso de la ciencia. El Universo no colapsó en un agujero negro debido a las condiciones notablemente equilibradas bajo las cuales nació, y ese podría ser el hecho más notable de todos.
El astrofísico y autor Ethan Siegel esel fundador y escritor principal de Starts With A Bang! Sus libros,Treknology y Beyond The Galaxy, están disponibles dondequiera que se vendan sus libros.
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Comenzó con una explosión
El universo está ahí fuera, esperando que lo descubras
Si concibes el Universo como el conjunto completo de materia y energía que conocemos, y las primeras etapas lo tenían todo comprimido en una pequeña región del espacio, ¿por qué no colapsó en un agujero negro? Crédito de la imagen: Bibliotecas de Birmingham
Por Ethan Siegel, para Forbes Marzo 23de 2018
Las opiniones expresadas por EthanSiegel, colaborador de Forbes son suyas, exclusivamente.
El Big Bang es una de las ideas más contra-intuitivas que existen. Si piensas en tomar toda la materia y energía en el Universo, y comenzar en una pequeña región del espacio, ¿no parece bastante improbable que se expanda a la velocidad exacta necesaria para darnos el Universo que vemos hoy? ¿No sería mucho más probable que simplemente colapse,gravitatoriamente, en el tipo de objeto más denso que el Universo pueda contener: un agujero negro? Claramente, eso no sucedió. Pero comprender por qué eso no sucedió podría ser una de las preguntas más profundas que puedes hacer para ayudar a dar sentido al Universo en el que vivimos.
El Universo en expansión,lleno de galaxias y la compleja estructura que observamos hoy, surgió de un estado más pequeño, más caliente, más denso y más uniforme. Por qué el Universo se expandió como lo hizo, en lugar de colapsar en un agujero negro, exige una explicación. Crédito de la imagen: C. Faucher-Giguère, A. Lidz, y L. Hernquist, Science 319,5859 (47)
Si supiera, desde los primeros principios, cuáles eran las leyes de la física en todas partes y entodo momento en nuestro Universo, eso aún no sería suficiente para que usted produjera la predicción de que el Universo, tal como lo vemos, debería existir. Porque a pesar de que las leyes de la física establecen las reglas de cómo evoluciona un sistema a lo largo del tiempo, aún necesita un conjunto de condiciones iniciales para comenzar. De alguna manera, la forma en que la tela del Universo se estaba expandiendo en los primeros momentos, podemos concebir el equilibrio de esta tendencia de la materia y la energía a gravitar y colapsar. Para ver cómo funciona todo esto, volvamos al nacimiento de nuestra teoría de la gravedad más exitosa, la relatividad general, hace unos 100 años.
Las órbitas de los planetas ylos cometas, entre otros objetos celestes, se rigen por las leyes dela gravitación universal. Credito de la imagen: Kay Gibson, BallAerospace & Technologies Corp
Antes de Einstein, la Ley de la Gravedad Universal de Newton era la teoría aceptada de la gravedad.Todos los fenómenos gravitacionales en el Universo, desde la aceleración de las masas en la Tierra hasta las órbitas de las lunas alrededor de los planetas y los planetas girando alrededor del Sol, su teoría lo describió todo. Los objetos ejercían fuerzas gravitatorias iguales y opuestas entre sí, se aceleraron en proporción inversa a su masa, y la fuerza obedecía a una ley del cuadrado inverso. Para cuando llegó la década de 1900, había sido probada increíblemente y no había excepciones. Bueno, con miles y miles de éxitos en su haber, casi no hubo excepciones, de todos modos.
Un desafío a la teoría newtoniana fue la idea, presentada por Einstein pero previamente desarrollada por Lorentz, Fitzgerald y otros, de que los objetos que se movían rápidamente parecían contraerse en el espacio y dilatarse en el tiempo. El espacio y el tiempo, de repente, no parecían tan fijos y absolutos. Crédito de la imagen: Curt Renshaw
Pero para los astutos y aquellos queprestaron gran atención al detalle, hubo un par de problemas:
1. A velocidades muy rápidas, es decir, a velocidades que se aproximan a la velocidad de la luz, las ideas de Newton sobre el espacio absoluto y el tiempo absoluto ya no se mantenían. Las partículas radiactivas vivieron más tiempo, las distancias se contrajeron, y la "masa" no pareció ser la fuente fundamental de la gravedad: ese honor parecía que iba a la energía, de la cual la masa es solo una forma.
2. En los campos gravitacionales más fuertes, al menos si se cree que el planeta Mercurio es especial entre los planetas de nuestro Sistema Solar en órbita alrededor del Sol, la predicción newtoniana del comportamiento gravitacional delos objetos está ligeramente pero notablemente fuera de lo que observamos. Es como si, cuando te acercas a una fuente muy masiva,hay una fuerza extra-atractiva que la gravedad newtoniana no explica.
A raíz de esto, hubo dos desarrollosque allanaron el camino para que una nueva teoría reemplazara a labrillante, pero centenaria, concepción de Newton sobre cómofuncionaba el Universo.
En la imagen newtoniana de la gravedad, el espacio y el tiempo son cantidades absolutas y fijas,mientras que en la imagen de Einstein, el espacio-tiempo es una estructura única y unificada donde las tres dimensiones del espacio y la dimensión del tiempo están inextricablemente unidas. Crédito de la imagen: NASA
El primer gran avance fue que el espacio y el tiempo, tratados previamente como un espacio tridimensional separado y una cantidad lineal de tiempo, se unieronen un marco matemático que creó un "espacio-tiempo"cuatridimensional. Esto fue logrado en 1907 por Hermann Minkowski:
Los puntos de vista del espacio y el tiempo que deseo exponer han brotado del suelo de la física experimental, y ahí está su fuerza. (...) De aquí en adelante, el espacio en sí mismo y el tiempo en sí mismo están condenados a desvanecerse en meras sombras, y solo una especie de unión de los dos preservará una realidad independiente.
Esto funcionó solo para el espacio plano, euclidiano, pero la idea era increíblemente poderosa matemáticamente, ya que condujo a todas las leyes de la relatividad especial como una consecuencia inevitable. Cuando esta idea del espacio-tiempo se aplicó al problema de la órbita de Mercurio, la predicción newtoniana bajo este nuevo marco se acercó un poco más al valor observado, pero aún no se cumplió.
Una representación de un espacio plano y vacío sin materia, energía o curvatura de ningún tipo. Crédito de la imagen: en http://www.livingligo.org/.AmberStuver, de su blog, Living Ligo
Pero el segundo desarrollo vino del propio Einstein, y fue la idea de que el espacio-tiempo no era plano en absoluto, sino que era curvo. Y lo que determinó la curvatura del espacio-tiempo fue la presencia de energía en todas sus formas,incluida la masa. Publicado en 1915, el marco de trabajo de Einstein era increíblemente difícil de calcular, pero presentaba a científicos de todo el mundo con el tremendo potencial de modelar sistemas físicos a un nuevo nivel de precisión y precisión.
El espacio-tiempo de Minkowski correspondía a un Universo vacío, o un Universo sin energía ni materia de ningún tipo.
Innumerables pruebas científicas de la teoría general de la relatividad de Einstein se han llevado a cabo, sometiendo la idea a algunas de las restricciones más estrictas jamás obtenidas por la humanidad. La primera solución de Einstein fue para el límite del campo débil alrededor de una sola masa, como el Sol; aplicó estos resultados a nuestro Sistema Solar con un éxito espectacular. Crédito de la imagen: Colaboración científica de LIGO / T. Pyle / Caltech / MIT
Einstein fue capaz de encontrar una solución donde tenías un Universo con una única fuente de masa en un punto solitario, y con la condición de que estabas fuera de ese punto. Esto se redujo a la predicción newtoniana a grandes distancias, pero dio resultados más fuertes a distancias más cercanas. Estos resultados no solo concordaron con las observaciones de la órbita de Mercurio que la gravedad newtoniana no pudo predecir, sino que hicieron nuevas predicciones sobre la desviación de la luz estelar que sería visible durante un eclipse solar total,predicciones que fueron confirmadas posteriormente durante el eclipse solar de 1919 .
Los resultados de la expedición de Eddington de 1919 mostraron, concluyentemente, que la Teoría General de la Relatividad describía la inclinación de la luz estelar alrededor de objetos masivos, derrocando la imagen newtoniana. Crédito de la imagen: The Illustrated London News, 1919
Pero había otra solución, una sorprendente e interesante, que apareció semanas después de que Einstein publicara su teoría general de la relatividad. Karl Schwarzschild había resuelto más detalles de lo que ocurre con una configuración con una sola masa de puntos solitarios de magnitud arbitraria, y lo que encontró fue notable:
- A grandes distancias, la solución deEinstein se mantuvo, reduciéndose a los resultados de Newton en ellímite del campo lejano.
- Pero muy cerca de la masa, a una distancia muy específica (de R = 2M, en unidades naturales), se llega a un punto donde nada puede escapar de él: un horizonte de sucesos.
- Además, dentro de ese horizonte desucesos, todo lo que entra inevitablemente colapsa hacia unasingularidad central, que es inevitable como consecuencia de lateoría de Einstein.
- Y finalmente, cualquier configuración inicial de polvo estacionario sin presión (es decir, materia que tiene velocidad inicial cero y no interactúa consigo misma),independientemente de la distribución de la forma o densidad, se colapsará inevitablemente hacia un agujero negro estacionario.
- Esta solución, la métrica deSchwarzschild, fue la primera solución completa y no trivial a larelatividad general jamás descubierta.
El paraboloide de Flamm, que semuestra aquí, representa la curvatura del espacio-tiempo fuera del horizonte de sucesos de un agujero negro de Schwarzschild. Una vezque caes, todo termina; su mejor apuesta es caer libremente como sicayera del reposo. Solo esa trayectoria maximizará tu tiempo de supervivencia. Crédito de la imagen: Allen McC. de Wikimedia Commons
Entonces, con eso en mente, ¿qué pasa con el Universo temprano, denso y caliente, donde toda la materia y energía actualmente esparcida en 92 mil millones de años luz de espacio estaba contenida en un volumen de espacio no mayor que nuestro propio Sistema Solar?
El tamaño del Universo, enaños luz, versus la cantidad de tiempo que pasó desde el Big Bang.Esto se presenta en una escala logarítmica, con una serie de eventosmemorables anotados para mayor claridad. Credito de la imagen: E.Siegel
Lo que debes tener en cuenta es que, al igual que el espacio-tiempo de Minkowski, la solución de Schwarzschild es estática, lo que significa que la métrica del espacio no evoluciona a medida que avanza el tiempo. Pero hay muchas otras soluciones -el espacio de Sitter, por ejemplo, y la métrica Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker, para otro- que describen los espacios en el espacio que se expanden o contraen.
Si hubiéramos comenzado con la materia y la energía que nuestro Universo tenía en las primeras etapas del Big Bang, y no teníamos un Universo en rápida expansión, sino uno estático y uno donde ninguna de las partículas tenía presión o una velocidad distinta de cero, toda esa energía habría formado un agujero negro de Schwarzschild en un orden extremadamente corto:prácticamente instantáneamente. Pero la relatividad general tiene otra advertencia importante: no solo la presencia de materia y energía determina la curvatura de tu espacio-tiempo, ¡sino que las propiedades y la evolución de todo en tu espacio determina la evolución de ese espacio-tiempo en sí mismo!
Una gráfica de la tasa de expansión aparente (eje y) frente a la distancia (eje x) es consistente con un universo que se expandió más rápido en el pasado, pero que todavía se está expandiendo en la actualidad. Esta es una versión moderna de, que se extiende miles de veces más que el trabajo original de Hubble. Las diversas curvas representan universos hechos de diferentes componentes constituyentes. Crédito de la imagen: Ned Wright, basado en los últimos datos de Betoule et al.(2014)
Lo más notable de esto es que sabemos,desde el momento del Big Bang en adelante, que nuestro universo solo parece tener tres opciones posibles, que dependen del material y la energía presentes en él y de la tasa de expansión inicial:
- La velocidad de expansión podría no haber sido lo suficientemente grande para la cantidad de materia y energía presente dentro de ella, lo que significa que el Universo se habría expandido por un tiempo (probablemente breve), alcanzaría un tamaño máximo y luego volvería a colapsar. Es incorrecto decir que se colapsaría en un agujero negro (aunque este es un pensamiento tentador), porque el espacio mismo colapsaría junto con toda la materia y energía, dando lugar a una singularidad conocida como Big Crunch.
- Por otro lado, la velocidad de expansión podría haber sido demasiado grande para la cantidad de materia y energía presente dentro de ella. En este caso, toda la materia y la energía se separarían a un ritmo demasiado rápido para que la gravedad junte todos los componentes del Universo, y para la mayoría de los modelos, haría que el Universo se expandiera demasiado rápido como para formar galaxias, planetas, ¡estrellas, o incluso átomos o núcleos atómicos! Un Universo donde la tasa de expansión era demasiado grande para la cantidad de materia y energía contenida en él sería un lugar desolado y vacío.
- Finalmente, está el caso "Goldilocks",o el caso donde el Universo está justo en la burbuja entre recollapsar (lo que haría si tuviera solo un protón más) y expandiéndose al olvido (lo que haría si tuviera un protón menos)), y en su lugar solo hace una asíntota a un estado donde la tasa de expansión cae a cero, pero nunca da la vuelta para volver a colapsar.
Resulta que vivimos casi en el caso Goldilocks, con solo un poquito de energía oscura arrojada en lamezcla, lo que hace que la tasa de expansión sea ligeramente mayor,lo que significa que finalmente toda la materia que no está unida gravitacionalmente ya lo hará ser arrojado al abismo del espacio profundo.
Los destinos esperados del Universo (las tres ilustraciones superiores) corresponden a un Universo donde la materia y la energía luchan contra la tasa de expansión inicial. En nuestro Universo observado, una aceleración cósmica es causada por algún tipo de energía oscura, que hasta ahora no ha sido explicada. Crédito de la imagen: E. Siegel / más allá de la galaxia
Lo que es notable es la cantidad de ajuste preciso que tenía que ocurrir para que la velocidad de expansión del universo y la densidad de materia y energía coincidieran tan bien que no volviéramos a recolocar inmediatamente o no formamos ni siquiera los componentes básicos de la materia es algo así como una parte en 1024, que es algo así como tomar dos seres humanos, contar el número de electrones en ellos y descubrir que son idénticos a un electrón. De hecho, si volviéramos a un tiempo en el que el Universo tenía solo un nanosegundo de vida (desde el Big Bang), podemos cuantificar cuán finamente ajustada era la densidad y la velocidad de expansión.
Si el Universo tuviera solo una densidad ligeramente más alta (rojo), ya habría recolocado; si tuviera una densidad ligeramente menor, se habría expandido mucho más rápido y se habría hecho mucho más grande. Crédito de la imagen: El tutorial de cosmología de Ned Wright
El nivel al que deben equilibrarse la tasa de expansión y la densidad de energía total es increíblemente preciso; un pequeño cambio en ese momento habría llevado a un Universo muy diferente al que actualmente observamos. Y, sin embargo,esta situación finamente ajustada describe mucho el Universo que tenemos, que no colapsó inmediatamente y que no se expandió demasiado rápido para formar estructuras complejas. En cambio, dio lugar a toda la maravillosa diversidad de fenómenos nucleares,atómicos, moleculares, celulares, geológicos, planetarios,estelares, galácticos y de agrupamiento que tenemos hoy en día.Tenemos la suerte de estar en este momento, de haber aprendido todo lo que tenemos al respecto y de participar en la empresa de aprender aún más: el proceso de la ciencia. El Universo no colapsó en un agujero negro debido a las condiciones notablemente equilibradas bajo las cuales nació, y ese podría ser el hecho más notable de todos.
El astrofísico y autor Ethan Siegel esel fundador y escritor principal de Starts With A Bang! Sus libros,Treknology y Beyond The Galaxy, están disponibles dondequiera que se vendan sus libros.
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