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Por qué el Univeso no terminó como un agujero negro en lugar de expandirse en el Big Bang.

Artículo corregido el 17/oct./2018 a las 22:50 HOA (GMT -3).
Muchos se preguntan (y me preguntaron) por qué se expandió el Universo en lugar de colapsar como un agujero negro,
La respuesta no es fácil, ya que está relacionada con le evolución y futuro del Universo y eso aún no es tema cerrado.
Vayamos por partes.

Ilustración de agujero negro (Birmingham Libraries)

Recordemos qué es un agujero negro.
Es una región del espacio de la que no puede escapar la luz, y por lo tanto, nada.
La velocidad de escape de un objeto depende de la gravedad generada por la masa del objeto del que se quiere escapar. La gravedad de esa masa depende no sólo de ella sino de la distancia a ella (en realidad de su cuadrado). Cuando una estrella masiva colapsa, la gravedad fuera de ella es la misma ya que la distancia a ella y su masa se mantienen; pero sobre su superficie, la gravedad va en aumento porque la distancia al centro disminuye. Así, llega un momento en que el radio de ese objeto es tal que la luz no puede escapar; y como eso es una velocidad insuperable, nada podrá escapar. A ese radio se lo llama Horizonte de sucesos y tiene la propiedad de que alguien fuera de él no puede ver qué pasa dentro, pero alguien dentro sí puede ver qué pasa afuera, ya que la luz entra pero no sale. Incluso, la estrella (ahora estrella de Planck) puede seguir colapsando y no lo notaremos porque dentro de ese horizonte nada es observable ya que está a una distancia del centro de la estrella que impide la salida de la información.

La pregunta es: si en el origen, toda la masa del Universo estaba en una región muy pequeña (matemáticamente un punto), por qué se expandió en lugar de colapsar en un colosal agujero negro.
Una respuesta que leí por ahí, decía que, como con las estrellas masivas, en el colapso se produjo un estallido que expulsó materia dejando un núcleo compacto en forma de agujero negro.
Pero eso es terriblemente erróneo por varias razones.
La materia aún no existía para que colapse y estalle.
El agujero negro remanente estaría en el lugar donde se produjo el Big Bang y según el Principio cosmológico, el Big Bang se dio en todas partes al mismo tiempo (pdp, 20/jun./2014, Principio cosmológico, https://paolera.wordpress.com/2014/06/20/el-principio-cosmologico/). En otras palabras aún no existía el espacio alrededor de ese objeto capaz de colapsar, como sucede hoy en día alrededor de las estrellas masivas. Nada como hoy lo conocemos existía aún.

Cuando se produjo el Big Bang no sólo apareció la materia sino el espacio-tiempo y las leyes de la Física. En ese instante donde nacía el Todo, aparecían sus leyes, las que aún estamos descubriendo. Luego, no podemos suponer que en el origen, las cosas se comportaban como hoy.
Por ejemplo, el valor de las constantes Universales, como la de gravitación “G” y la velocidad de la luz en el vacío “C”, no habrían sido siempre las mismas (10/abr./2018, Estudiando el valor de G, https://paolera.wordpress.com/2018/04/10/estudiando-la-evolucion-de-g/) (pdp, 24/nov./ 2016, El problema de horizontes y la velocidad de la luz, https://paolera.wordpress.com/2016/11/24/el-problema-de-horzontes-y-la-velocidad-de-la-luz/).

Veamos lo que pudo haber pasado.
Si en el Big Bang apareció la materia y ésta tenía una velocidad de expansión que pudo ser frenada por gravitación, toda esa materia y el espacio que se generaba en ese proceso, habrían recolapsado en lo que sería un Big Crunch. Eso evidentemente no se dio.

Si la velocidad de expansión hubiese superado la de escape debido a la masa aparecida, todo se habría disipado en el espacio que se generaba. No habrían aparecido las partículas formando otras más complejas, y por lo tanto, nada de lo que hoy conocemos.

Evidentemente, las condiciones fueron tales que el Universo se dio en el sutil límite entre el recolapso y la brusca expansión.

El Universo se expandió, pero tuvo tiempo para la aparición de partículas que dieron origen a todo lo que hoy existe (pdp, 09/ago./ 2018, El origen de la materia en el Universo, https://paolera.wordpress.com/2018/08/09/el-origen-de-la-materia-en-el-universo-rompiendo-simetrias/). Luego, en su evolución, las leyes Físicas se fueron plasmando en lo que hoy seguimos estudiando. La energía obscura se encarga de mantener esa expansión y el estudio continua (pdp, 05/ago./ 2018, Sobre el origen de la energía obscura, https://paolera.wordpress.com/2018/08/05/sobre-el-origen-de-la-energia-obscura/).

Referencia:

pdp.

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La materia obscura como fluído.

El Universo está dominado por la energía obscura y por la materia obscura (https://es.wikipedia.org/wiki/Materia_oscura).
Ambas comparten el calificativo por desconocerse si origen.
La primera, es la responsable de la expansión del Universo y es propia de la trama espacio-tiempo (pdp, 05/ago./2018, Sobre el origen de ma enegía obscura, https://paolera.wordpress.com/2018/08/05/sobre-el-origen-de-la-energia-obscura/).
La segunda, es la responsable de mantener unidas a las estructuras galácticas, pero no es observable ni detectable salvo gravitacionalmente.
Se piensa que la materia obscura está formada por partículas de muy baja interacción llamadas wimps (https://es.wikipedia.org/wiki/WIMP). Es una idea casi natural, la de pensar que la materia está compuesta por partículas. El problema es que aún no es posible detectar los wimps; hasta se llegó a conjeturar que a pequeñas escalas la materia obscura es repulsiva, por eso no podemos detectarla cerca nuestro, ni a nuestro alrededor ya que es tan común (pdp, 04/may./2017, ¿Propiedad repulsiva de la materia obscura?, https://paolera.wordpress.com/2017/05/04/propiedad-repulsiva-de-la-materia-obscura/).
Se sospechó que podría tratarse de nubes de hidrógeno frías de difícil detección y hasta de agujeros negros (pdp, 31/may./2018, La materia obscura y los agujeros negros, https://paolera.wordpress.com/2018/05/31/la-materia-obscura-y-los-agujeros-negros-son-la-misma-cosa/).

Lo cierto es que la materia obscura no interactúa con la materia ordinaria, salvo gravitacionalmente. Tampoco interactúa con la radiación, salvo que responde a la presión de radiación (viento estelar) redistribuyéndose. Esto último se confirmó observando galaxias gemelas donde la distribución de materia obscura no era la misma por ser redistribuida por la radiación de las estrellas jóvenes. Así quedó descartada una corrección a la teoría de gravitación para explicar los efectos gravitacionales supuestamente causados por esta materia (pdp, 10/sep./ 2018, Ley de gravitación modificada o materia obscura…, https://paolera.wordpress.com/2018/09/10/ley-de-gravitacion-modificada-o-materia-obscura-las-galaxias-enanas-deciden/).

¿Y si la materia obscura no está compuesta por partículas?, ¿y si es inherente del espacio como lo es la energía obscura?, hasta quizás estén relacionadas.
Veamos.

Video: Dark Matter Streams – Ralf Kähler (estructuras de materia obscura)

Publicado el 27 mar. 2012.

La morfología y distribución de las estructuras galácticas implican la existencia de este tipo de materia. De no existir, estas estructuras serían menos notables (o no existirían).
El estudio de las lentes gravitatorias (http://www.starneutron.com/2011/10/lentes-gravitatorias-una-explicacion-sencilla/) dice que hay más materia que la observable curvando el camino de la luz de objetos lejanos.

El estudio de la radiación de fondo en micro-ondas proveniente del origen del Universo muestra una “textura rugosa”. Eso indica que en el comienzo el Universo tenía una densidad del orden del 0,01% de la actual. Incluso las galaxias lejanas (observadas jóvenes por la gran distancia) muestran menos materia obscura que las más cercanas (observadas más actuales). Eso es consistente con materia obscura, de distribución uniforme y que luego comenzó a formar grumos o estructuras.

Hoy en día la materia obscura es fría y no relativística (no está sujeta a la relatividad).
Pero todo esto no necesariamente debe responder a materia obscura compuesta por partículas.
Esta materia puede ser una característica del espacio, inherente a Él, y responder al modelo de un fluido no compuesto por partículas.
Éste sería de bajísima viscosidad (y densidad), por lo que no se manifiesta francamente a pequeñas escalas y lo hace a grandes dimensiones. Apareció uniformemente y fue colapsando en estructuras por autogravitación. No interactúa con la luz, sólo siente la presión de radiación.

Hasta que no se detecte un wimp, esta es una opción.

Referencia:

Las regiones vacías de la red cósmica.

La opacidad, es una de las propiedades de la materia relacionada con la forma en que permite el paso de la energía.
En la juventud del Universo hubo dos épocas de ionización.
Al principio, el Espacio estaba lleno de partículas cargadas. Iones, partículas componentes de átomos, pero libres. Luego se recombinaron formando átomos, moléculas y así se formaron las primeras estrellas. Éstas volvieron a ionizar los átomos del material que había en el Universo (a partirlos) con su radiación.

En el Universo, la materia (obscura y ordinaria) forma una estructura de filamentos o  red cósmica, donde las estructuras galácticas está ubicadas como perlas en un collar. Entre esos filamentos, hay regiones de menor cantidad de materia. En los comienzos, unos 1000 millones de años luego del Big-Bang, esas regiones “vacías”, en realidad eran muy opacas para dejar pasar la luz de las galaxias.

Ilustración resultado de una simulación donde se muestra la red cósmica de materia (azul claro) poblada de galaxias (en amarillo y blanco) limitando regiones “vacías” (azul obscuro). – Crédito: TNG Collaboration.

Si eran muy opacas es porque había mucha materia, y donde hubo mucha materia, debe haber muchas galaxias.

Observando en esas zonas ubicadas entre los filamentos de materia, se encontraron galaxias pero no tantas como se esperaba.
Hoy en día, esas zonas, como el resto del Espacio, son transparentes a la radiación de las galaxias lejanas, eso se debe a que el gas intergaláctico está ionizado (plasma). Para la época de la reionización, las primeras galaxias lograron ionizar el material intergaláctico con radiación principalmente ultravioleta. De esta manera, esa materia perdió opacidad volviéndose transparente a la radiación proveniente de los objetos lejanos.
Luego, las primeras estructuras galácticas pudieron ionizar eficientemente y volver transparentes al material de las regiones limitadas por los filamentos de materia, lugar donde tienden a haber más galaxias.

Referencia:

Fuente:

  • arXiv:1803.08932v1 [astro-ph.CO] 23 Mar 2018, Evidence for Large-Scale Fluctuations in the Metagalactic Ionizing Background Near Redshift Six, 
    George D. Becker et al.
    https://arxiv.org/pdf/1803.08932.pdf

pdp.

El origen de la materia en el Universo (rompiendo simetrías).

Artículo corregido el 10/ago./2018 a las 14:45 HOA (GMT -3).
En el Universo apareció la materia de la que todo está hecho, incluso nosotros, cuando dejaron de valer ciertas condiciones.
En la Naturaleza hay simetrías. Éstas son condiciones que se cumplen (o deberían hacerlo) en diversas situaciones (https://es.wikipedia.org/wiki/Simetr%C3%Ada_en_f%C3%Adsica).

Llama la atención la ausencia de antimateria en Universo. Se congetura que cuando apareció la materia, las leyes Físicas no eran las mismas para la materia que para la antimateria y, por falta de simetrías, la antimateria se aniquiló con parte de materia generando otras partículas (pdp, 09/mar./2017, La violación CP explica la abundancia de materia sobre la antimateria, https://paolera.wordpress.com/2017/03/09/la-violacion-cp-explica-la-abundancia-de-materia-sobre-la-antimateria/).

También resulta llamativo la existencia de partículas sin masa.
¿Puede existir una partícula si no tiene masa?
Sí, puede.
Cuando vemos la conocida ecuación E=mC2, donde m es la masa de un objeto y C la velocidad de la luz, resulta que E es la emergía almacenada en esa masa, o sea la necesaria para crearla; luego, la masa es una forma de energía. O sea que una partícula puede existir en forma de energía almacenada de alguna manera y aparecer con masa cuando se mueve a la velocidad de la luz. Por ejemplo: el fotón (partícula de luz – energía), que en reposo no tiene masa y la adquiere cuando aparece con velocidad C. Otra partícula sin masa en reposo es el gluón, que sirve de unión (glue = pegamento en inglés) entra quarks para formar neutrones.

¿Pero de donde provino la materia del Universo?
Veamos.

Ilustración de evolución del Universo. Nada de esto se habría dado sin la aparición de la materia. Crédito: NASA / CXC / M. WEISS

Cuando el Universo se expandió en el Big-Bang, éste comenzó a generar trama de espacio – tiempo. En ese proceso aumentó la energía obscura pero a cambio otros niveles de energía comenzaron a disminuir, proceso por el cual el Universo aceleraba su expansión mientras se enfriaba (pdp, 05/ago./2018, Sobre el origen de la energía obscura, https://paolera.wordpress.com/2018/08/05/sobre-el-origen-de-la-energia-obscura/).

Entre los niveles energía que disminuían estaba la del campo de Higgs (en honor a Peter Higgshttps://es.wikipedia.org/wiki/Peter_Higgs). Debajo de un determinado valor, muy pequeño aunque no nulo, comenzaron a romperse ciertas simetrías. En esas condiciones, de la energía almacenada en el campo de Higgs, se produjeron 4 eventos.
De dos de ellos se generaron partículas con masa y con cargas eléctricas. De las otras dos se generaron partículas sin carga; una fue el fotón sin masa en reposo y la otra ganó masa dando origen al bosón de Higgs. Luego, moviéndose y chocando a gran velocidad, todas ellas fueron generando la materia y las estructuras de ella que hoy observamos.

Fuente:

pdp.

Sobre el origen de la Energía Obscura.

Es útil explicar la expansión acelerada del Universo, cómo interviene la energía obscura y si es posible, explicar su origen.
Eso es lo que trataré de hacer con lo que se conjetura a mediados del 2018.

Ilustración de Universo crédito de JINYI YANG, UNIVERSITY OF ARIZONA; REIDAR HAHN, FERMILAB; M. NEWHOUSE NOAO/AURA/NSF

La expansión.
Sabemos que el Universo nació del Big-Bang, donde todo estaba contenido en un punto (singularidad). Supongamos tres puntos: A, B, C. Nosotros estamos en A y para simplificar el problema, supondremos una expansión en una sola dirección. Sea que luego de un segundo, B está 1m. a nuestra derecha y C está 1m. a la derecha de B, o sea a 2m. de nosotros. Si entonces, nosotros en A, observamos el universo, le mediremos una edad de 1 segundo y veremos que B se nos escapa a 1m/seg. y C (a 1m. de B y a 2m. de nosotros) se escapa a 2m/seg. ya que esas fueron las distancias recorridas en el segundo que hace que comenzó todo.
Esto será igual no importa donde nos encontremos por el principio cosmológico que establece que el Big-Bang se dio en todas partes al mismo tiempo (pdp, 20/jun.2014, El Principio Cosmológico, https://paolera.wordpress.com/2014/06/20/el-principio-cosmologico/)
Concluimos entonces que nuestro universo se expande con velocidad constante, y debido a eso, los objetos lejanos se escapan con velocidades que crecen linealmente con la distancia.
Pero en realidad no es así lo que se observa. Los objetos lejanos se escapan con velocidades cada vez mayores con la distancia, las que no aumentan linealmente con ella. Luego hay una aceleración en la expansión, lo que implica una fuerza, la que implica trabajo, o sea energía. Como no sabemos cual es su origen, la llamamos energía obscura.

Algunos conjeturaron un origen rotacional para esa energía. O sea que se trata de una energía dada por una aceleración centrífuga en un Universo en rotación. Como los objetos se alejan entre sí, la gravedad mutua disminuye y no alcanza a compensar la fuerza centrífuga (pdp, 09/mar./2016, La energía obscura como efecto de un Universo en rotación, https://paolera.wordpress.com/2016/03/09/la-energia-obscura-como-efecto-de-un-universo-en-rotacion/)

Pero puede ser que la energía obscura sea inherente al  espacio, parte fundamental del mismo.
Veamos eso.

Trabajo y energía.
Si queremos mover una mesa, le aplicamos una fuerza empujándola. Esa fuerza realiza un trabajo en la dirección de movimiento (trabajo positivo), el que se traduce en energía cinética de la mesa (la mesa se mueve). Pero en las patas de la mesa aparece una fuerza de rozamiento o fricción con el suelo que ejerce trabajo en contra del movimiento (trabajo negativo). Este trabajo transforma parte de la energía en calor por lo que la mesa pierde velocidad y debemos seguir empujándola. Así, el trabajo de nuestra fuerza se transforma en energía cinética para la mesa y en calor por fricción que es absorbido por el suelo, las patas de la mesa y el aire. O sea que el trabajo es energía y ésta se conserva, se transforma pero no se pierde.

Un Universo dominado por materia y radiación, se comporta muy parecido a un gas a cierta temperatura en un recipiente.
Las moléculas del gas se mueven y chocan con las paredes del recipiente. En este proceso, transforman energía cinética en trabajo para expandir el volumen que las contiene. Luego de un tiempo, las moléculas gastaron su energía en trabajo y la expansión se frena.
En el caso de un Universo de este tipo, la expansión lleva velocidad constante y eventualmente podría terminar deteniéndose. En este último caso, la paciente gravedad comienza la contracción.

Pero un Universo dominado por energía obscura se comporta de manera opuesta.
En la expansión se va generando más trama de espacio y en ese proceso aparece energía como resultado de un trabajo (negativo) sobre esa expansión.
De esta manera, la energía obscura es propia del la trama del espacio. Así, ésta aumenta con la expansión a medida que se genera más trama espacial, manteniendo constante la densidad de energía (energía por unidad de volumen). Esto resulta en un aumento de la energía en el Universo. Tal vez la conservación no se dé a escalas cósmicas. Luego, de alguna forma, esa energía es aprovechada para acelerar a los objetos lejanos.

Fuente:

pdp.

¿En el Multiverso hay muchos Universos?

La Física Cuántica, analiza los escenarios microscópicos.
En esos ambientes donde las partículas son las que dominan, éstas pueden comportarse como tales o como ondas, y la energía está discretizada; o sea que puede tomar ciertos valores, no cualesquiera.

En la búsqueda de cómo nació el Universo, el modelo se va actualizado a medida que se van descubriendo nuevos elementos más sofisticados.
Así es como para explicar el origen del Todo, la cuántica colaboró en la explicación del origen de las partículas que conforman la materia. Como éstas se comportan como ondas, apareció la Teoría de Cuerdas (https://www.astrobitacora.com/teoria-de-cuerdas/), la que dio paso a la de Branas (o menbranas). Esta teoría admite varias soluciones, cada una corresponde a un Universo, luego existiría un Multiverso, dentro del cual está el nuestro.

Ilustración crédito de Shutterstock/Juergen Faelchle.

Es más, la mancha fría observada en la radiación de fondo de micro-ondas, según los adeptos a este modelo de Multiversos, podría ser un punto de contacto entre nuestro Universo y otro adyacente (pdp, 26/abr./2017, Quizás un Universo exótico necesite una explicación exótica, https://paolera.wordpress.com/2017/04/26/quizas-un-universo-exotico-necesite-una-explicacion-exotica/).

Pero sucede que la cantidad de soluciones implican una gran cantidad de Universos, ¿cuántos?, bien, 10500, o sea un 1 con 500 ceros. ¿Esos son muchos Universos o pocos? ¿Tenemos idea de lo que estamos diciendo?

Aquí es donde las opiniones se dividen.
Veamos.

Por un lado, están los que piensan que no se puede explicar las características de nuestro Universo en forma satisfactoria entre tantos Universos. En un Multiverso tan poblado, cada uno de los Universos (y el Nuestro) serían una situación aleatoria. Es decir que la Física en cada Universo sería diferente y al azar. Más; muchos de ellos serían matemáticamente inconsistentes, y por lo tanto, prohibidos.

Por otro lado, están los que aceptan eso y piensan que todos esos Universos serían posibles; después de todo, no sería la primera vez que se observa orden en el caos de la aleatoriedad.
Hay diferentes tipos de estrellas, incluso de las más exóticas (de neutrones, agujeros negros y asociaciones de diferentes tipos). Todo depende de su masa y ese valor es un valor aleatorio.
Los planetas se encuentran a determinadas distancias de sus estrellas, lo que está dado por las leyes de Kepler (https://www.fisicalab.com/apartado/leyes-kepler#contenidos). Pero esas distancias dependen de la masa y velocidad de cada planeta, lo que se dio al azar en su formación.
Luego, extrapolando esto, no sería raro un Multiverso con características aleatorias donde se dan estabilidades y eventos que implican energías de varios tipos, incluso la obscura (responsable de la aceleración en la expansión del Nuestro.)

Bien… el debate continua y eso es muy bueno.

Referencia:

Fuentes:

pdp.

La Materia Obscura Dinámica.

Se sabe que elusiva materia obscura es el 85% de la materia que compone el Universo.
Como sólo se la detecta gravitacionalmente y no se la observa (por eso el calificativo de osbcura), se busca detectarla por otros medios.
Esta materia se encarga de mantener unidas a las galaxias. Las estrellas más alejadas del centro tienen mayor velocidad de la que deberían, por lo que es necesaria una “pegatina” para mantenerlas a la galaxia; ahí está la materia obscura.

Video: ¿Qué es la Materia Oscura?

Publicado el 11 sept. 2015.

Mucho ee teorizó al respecto.
Primero se sospechó de la validez de la física clásica (Newtoniana) a grandes escalas.

Luego se pensó en la existencia de esta materia como formada por WIMPS. Estas partículas de muy baja interacción podrían llegar a ser detectadas, cosa nada fácil y que aún se intenta. Incluso se dice que los WIMPS son sus propias antipartículas. Así, de encontrarse dos de ellos, se aniquilarían irradiando energía. De esta manera, si los WIMPS penetran al Sol, chocarían con las partículas que lo componen, se frenarían y aumentaría la probabilidad de choque entre ellos. De esta manera se aniquilarían emitiendo cierto tipo de energía y generando partículas (como en todo proceso de decaimiento y aniquilación). Por ejemplo, neutrinos de determinada energía.

Incluso se pensó que cierta radiación X detectada en el cielo, era generada por la interacción de materia obscura con materia ordinaria a una cierta distancia. Pero todo intento de detectarla (que no se sea en forma gravitacional) sigue sin dar frutos (pdp, 09/may./2013, Neutrinos por decaimiento de materia obscura, https://paolera.wordpress.com/2013/05/09/neutrinos-por-decaimiento-de-materia-obscura/).

Pero…, ¿y si la materia obscura son nubes de Hidrógeno frío de difícil detección?

Si es tan común, ¿por qué no la detectamos cerca nuestro o entre nosotros?, salvo que a corta distancia sea repulsiva (pdp, 04/may./2017, ¿Propiedad repulsiva de la materia obscura?, https://paolera.wordpress.com/2017/05/04/propiedad-repulsiva-de-la-materia-obscura/).

Otra: Los agujeros negros, como la materia obscura, no son visibles y se los detecta por gravedad, a menos que estén comiendo materia, la que se recalienta al autofriccionar en su caída y emite radiación. Así, se puede pensar que hay agujeros negros lejos de materia que puedan asimilar y éstos ejercen la gravedad atribuida a la materia obscura (pdp, 31/may./2018, La materia obscura y los agujeros negros…, https://paolera.wordpress.com/2018/05/31/la-materia-obscura-y-los-agujeros-negros-son-la-misma-cosa/). Se encontró que galaxias lejanas, que las vemos jóvenes debido a la distancia, tienen poca materia obscura; ¿acaso aún no tienen suficientes agujeros negros? Debo reconocer que me gusta esta idea, más si tenemos en cuenta que con el tiempo se descubren más agujeros negros.

Algo es seguro, la materia obscura es estable (no se está destruyendo) porque las galaxias están ahí, no se desarman. Luego surge otra idea.

¿Y si la materia obscura está formada por una familia de partículas?

En esa familia, algunas partícula podrían haberse destruido generando otras que están vagando por al Universo. Las restantes, aún permanecen como cuando aparecieron, y en general, la mayor parte de la materia obscura sigue allí. Si ese decaimiento se produjo en los albores del Universo, debió alterar su química. A esta idea se la conoce como Modelo Dinámico de Materia Obscura.

Referencia: