Antes del Big Bang

En artículo de General Relativity and Gravitation, físico postula la superación de la singularidad cosmológica en el espacio-tiempo y que una etapa de contracción del Universo precedió a su actual expansión

Por Peter Moon  |  Agência FAPESP – “Para mí el Big Bang no existió”, dijo el físico brasileño Juliano César Silva Neves, del Instituto de Matemática, Estadística y Computación Científica de la Universidad de Campinas (Unicamp), en el estado de São Paulo.

Pese a que el Big Bang ha sido durante las últimas cinco décadas el conjunto de ideas más conocido –y más aceptado– para explicar el comienzo y la evolución del Universo, no constituye precisamente un consenso entre los científicos según Silva Neves, quien forma parte de un grupo de investigadores que se arriesga a imaginar un origen distinto.

En un trabajo reciente publicado en la revista General Relativity and Gravitation, Silva Neves sugiere la eliminación de un aspecto fundamental del modelo cosmológico estándar: la necesidad de la existencia de una singularidad cosmológica al comienzo de los tiempos también conocida como Big Bang.

Al postular esto, Silva Neves plantea un reto a la idea de un comienzo de los tiempos y reinserta en el escenario cosmológico la posibilidad de que la etapa de expansión actual haya sido precedida por una etapa de contracción.

Según Silva Neves, la fase de expansión acelerada no excluye la posibilidad de que ésta se haya visto precedida por una etapa de contracción del espacio-tiempo. Y postula la posibilidad de que el cambio de una fase de contracción a otra de expansión quizá no haya destruido todos los vestigios de la etapa anterior.

“¿Y si existen vestigios de agujeros negros en la actual etapa de expansión que datan de la fase de contracción anterior y que pasaron incólumes por el cuello de botella del rebote?”, declaró a Agência FAPESP.

Es precisamente en los agujeros negros donde Silva Neves ubica el punto de partida de sus investigaciones al respecto de lo que denomina “Universo con rebote”, de contracción seguida de expansión.

“La inspiración del Universo con rebote surgió de un truco matemático tendiente a evitar a formación de singularidades en un agujero negro. Hay dos formas de singularidad en el Universo. Una fue la supuesta singularidad cosmológica o Big Bang, y la otra se esconde detrás del horizonte de eventos de los agujeros negros”, dijo.

Los agujeros negros son los objetos cósmicos más misteriosos. Están formados por el núcleo de implosión que restó de la explosión de una estrella gigante. Ese núcleo se contrajo hasta formar una singularidad, un punto de densidad infinita cuya atracción gravitacional es la más grande que se conoce. Nada escapa a ella, ni siquiera la luz.

Las singularidades se encuentran en el centro de los agujeros negros, escondidas detrás del horizonte de eventos, una membrana que señala el punto de no retorno, a partir del cual nada escapa al destino inexorable de ser devorado y destruido por la singularidad.

“Pero no todos los agujeros negros necesitan tener singularidades en su interior, al menos no en teoría. En el interior de los llamados agujeros negros regulares no existen singularidades”, dijo Silva Neves.

En 1968, el físico estadounidense James Bardeen se valió de un truco matemático para modificar la solución de las ecuaciones de la Relatividad General que describen a los agujeros negros.

Este artificio consistió en considerar la masa del agujero negro ya no como una constante, tal como se hacía hasta entonces, sino como una función que depende de la distancia hasta el centro del agujero negro. Una vez efectuada esta modificación, de la solución de las ecuaciones emergió un agujero negro distinto llamado regular.

“Lo que define a un agujero negro no es la singularidad sino el horizonte de eventos. Fuera del horizonte de eventos de un agujero negro regular no hay grandes cambios, pero en su interior las alteraciones son profundas. Hay un espacio-tiempo distinto que evita la formación de la singularidad. Los agujeros negros regulares están permitidos pues no violan la Relatividad General. Este concepto no es nuevo y se lo ha venido empleando bastante durante las últimas décadas”, dijo Silva Neves.

Si la inserción de un truco matemático en las ecuaciones de la Relatividad General impide la formación de singularidades en los agujeros negros regulares, ¿sería posible crear un artificio similar tendiente a eliminar la singularidad en un rebote regular?

“Para medir la tasa de expansión del Universo, en la cosmología estándar, en la cual existe un Big Bang, se emplea una función matemática que depende únicamente del tiempo cosmológico”, dijo Silva Neves.

Y allí es donde entra en escena el truco matemático. Silva Neves y su supervisor de posdoctorado, Alberto Vazques Saa, profesor titular del Instituto de Matemática, Estadística y Computación Científica de la Unicamp, introdujeron en las soluciones de las ecuaciones de la Relatividad General que describen la geometría del cosmos un “factor de escala” que hace que la tasa de expansión del Universo no dependa únicamente del tiempo sino también de la escala cosmológica.

Ésta es la propuesta que se plantea en el trabajo publicado ahora, realizado en el marco del Proyecto Temático intitulado “Física y geometría del espacio-tempo”, coordinado por Vasques Saa. El posdoctorado de Silva Neves contó con beca de la FAPESP.

Los vestigios de la contracción

¿Cuál es la consecuencia del truco matemático del factor de escala? Que la singularidad cosmológica o Big Bang deja de existir. Deja de ser una condición necesaria para que el cosmos de inicio a la expansión universal.

“La eliminación de la singularidad o Big Bang reubica al Universo con rebote en el escenario teórico de la Cosmología. La inexistencia de una singularidad al comienzo de los tiempos abre la posibilidad de que vestigios de una fase de contracción anterior puedan haber resistido al cambio de etapa y permanezcan en la actual fase de expansión del Universo”, dijo Silva Neves.

“¿Habrá tenido o no un comienzo el Universo? ¿Dentro de un agujero negro un mundo termina? Hoy en día sabemos que la Teoría de la Relatividad General permite al menos en teoría una cosmología no singular, sin el Big Bang”, dijo.

En la ciencia moderna, por más hermosa e inspiradora que sea una teoría, de nada vale si no puede verificársela. ¿Cómo probar la hipótesis de un Big Bang que no partió de una singularidad?

“Buscando vestigios de eventos de la fase de contracción que podrían permanecer en la actual etapa de expansión. ¿Cuáles? Son candidatos los vestigios de agujeros negros de una fase anterior de contracción universal y que pueden haber sobrevivido al rebote”, dijo Silva Neves.

El Big Bang

La teoría del Big Bang empezó a formularse a finales de la década de 1920, cuando el astrónomo estadounidense Edwin Hubble descubrió que casi todas las galaxias se están alejando unas de otras a velocidades crecientes.

Esto implicaría que en el pasado remoto habrían estado mucho más cerca. Más precisamente, hace 13.800 millones de años, la materia y la energía del Universo estaban comprimidas en un estado inicial de densidad y temperatura infinitas, un lugar donde ya no se aplican las leyes tradicionales de la Física.

Para definir dicho estado, los cosmólogos tomaron prestado de la matemática un concepto de indefinición denominado “singularidad”. En este caso, había una singularidad cosmológica primordial que empezó a expandirse hace 13.800 millones de años. Y a esa singularidad inicial se le dio el nombre de Big Bang. Las centenas de miles de millones de galaxias del cosmos se formaron a partir de la materia y la energía expelidas por aquella explosión inicial.

Basados en la Teoría de la Relatividad General de Einstein, utilizada para explicar los fenómenos del cosmos, y a partir de la década de 1940, los científicos empezaron a elaborar un modelo detallado acerca de cómo se habría procesado la evolución del Universo desde el Big Bang. Dicho modelo partía del supuesto de que la expansión eventualmente se desaceleraría –o no–, frenada por la atracción gravitacional de la propia masa del Universo.

A partir de ese punto, habría lugar para tres posibilidades: la expansión del Universo podría acelerarse infinitamente, sin nunca cesar efectivamente, la expansión podría parar por completo y permanecer así indefinidamente, o la expansión podría concluir y eventualmente dar lugar a un proceso inverso, un movimiento de retracción en el cual las galaxias pasarían a acercarse unas a otras a velocidades crecientes hasta amalgamarse en un futuro, en el llamado Big Crunch, o Gran Contracción.

Si éste fuera el caso, cuando la materia y la energía del Big Crunch llegasen a una temperatura y una densidad extremas, el proceso quizá podría experimentar una nueva inversión, pasando a expandirse en otro rebote, produciendo un nuevo ciclo del Universo. Y así sucesivamente.

“A esta imagen de una sucesión eterna de universos que alternan fases de expansión y contracción se le dio el nombre de Universo cíclico, que deriva de las cosmologías con rebote”, dijo Silva Neves.

Puede leerse el artículo intitulado Bouncing cosmology inspired by regular black holes, de J. C. Silva Neves, en el siguiente enlace: doi.org/10.1007/s10714-017-2288-6.