La hipótesis del Big Bounce es un modelo cosmológico para el origen del universo conocido . Originalmente se sugirió como una fase del modelo cíclico o interpretación del universo oscilatorio del Big Bang , donde el primer evento cosmológico fue el resultado del colapso de un universo anterior. [1] [2] [3] [4] Dejó de considerarse seriamente a principios de la década de 1980 después de que la teoría de la inflación surgió como una solución al problema del horizonte , que había surgido de avances en las observaciones que revelaban la estructura a gran escala del universo.
Se descubrió que la inflación es inevitablemente eterna y crea una infinidad de universos diferentes con propiedades típicamente diferentes, lo que sugiere que las propiedades del universo observable son una cuestión de azar. [5] Un concepto alternativo que incluía un Big Bounce fue concebido como una posible solución predictiva y falsificable al problema del horizonte. [6] La investigación continuó a partir de 2022. [7] [8] [9] [10]
El concepto de Big Bounce visualiza el Big Bang como el comienzo de un período de expansión que siguió a un período de contracción. [11] Desde este punto de vista, se podría hablar de un " Big Crunch " seguido de un "Big Bang" o, más simplemente, de un "Big Bounce". Este concepto sugiere que podríamos existir en cualquier punto de una secuencia infinita de universos o, por el contrario, el universo actual podría ser la primera iteración. Sin embargo, si la condición de la fase de intervalo "entre rebotes" -considerada la "hipótesis del átomo primitivo"- se toma en plena contingencia, tal enumeración puede carecer de sentido porque esa condición podría representar una singularidad en el tiempo en cada caso si tal condición perpetua las repeticiones (ciclos) fueron absolutas e indiferenciadas.
La idea principal detrás de la teoría cuántica del Gran Rebote es que, a medida que la densidad se acerca al infinito, el comportamiento de la espuma cuántica cambia. Todas las llamadas constantes físicas fundamentales , incluida la velocidad de la luz en el vacío, no necesitan permanecer constantes durante un Big Crunch, especialmente en el intervalo de tiempo más pequeño que aquel en el que tal vez nunca sea posible medir (una unidad de tiempo de Planck , aproximadamente 10 −43 segundos) abarcando o poniendo entre paréntesis el punto de inflexión.
Los modelos de Big Bounce fueron respaldados por razones principalmente estéticas por cosmólogos como Willem de Sitter , Carl Friedrich von Weizsäcker , George McVittie y George Gamow (quien destacó que "desde el punto de vista físico debemos olvidarnos por completo del período previo al colapso"). [12]
A principios de la década de 1980, la precisión y el alcance cada vez mayores de la cosmología observacional habían revelado que la estructura a gran escala del universo es plana , homogénea e isotrópica , un hallazgo aceptado más tarde como el principio cosmológico aplicable a escalas superiores a aproximadamente 300 millones de luz. años . Esto llevó a los cosmólogos a buscar una explicación al problema del horizonte , que cuestionaba cómo regiones distantes del universo podían tener propiedades idénticas sin estar nunca en comunicación similar a la luz. Se propuso como solución un período de expansión exponencial del espacio en el universo primitivo, que formó la base de lo que se conoció como teoría de la inflación . Tras el breve período inflacionario, el universo continúa expandiéndose a un ritmo más lento.
Varias formulaciones de la teoría de la inflación y sus implicaciones detalladas se convirtieron en objeto de un intenso estudio teórico. Sin una alternativa convincente, la inflación se convirtió en la principal solución al problema del horizonte.
La frase "Big Bounce" apareció en la literatura científica en 1987, cuando se utilizó por primera vez en el título de un par de artículos (en alemán) en Stern und Weltraum de Wolfgang Priester y Hans-Joachim Blome. [13] Reapareció en 1988 en Big Bang, Big Bounce de Iosif Rozental , una traducción revisada al inglés de un libro en ruso (con un título diferente), y en un artículo en inglés de 1991 de Priester y Blome en Astronomy and Astrofísica . La frase se originó como título de una novela de Elmore Leonard en 1969, poco después de una mayor conciencia pública sobre el modelo del Big Bang con el descubrimiento del fondo cósmico de microondas por Penzias y Wilson en 1965.
La idea de la existencia de un gran rebote en el universo primitivo ha encontrado diversos apoyos en trabajos basados en la gravedad cuántica de bucles . En la cosmología cuántica de bucles , una rama de la gravedad cuántica de bucles, el gran rebote fue descubierto por primera vez en febrero de 2006 para modelos isotrópicos y homogéneos por Abhay Ashtekar , Tomasz Pawlowski y Parampreet Singh en la Universidad Estatal de Pensilvania . [14] Este resultado ha sido generalizado a varios otros modelos por diferentes grupos, e incluye el caso de curvatura espacial, constante cosmológica, anisotropías e inhomogeneidades cuantificadas de Fock. [15]
Martin Bojowald , profesor asistente de física en la Universidad Estatal de Pensilvania, publicó en julio de 2007 un estudio que detallaba un trabajo relacionado con la gravedad cuántica de bucles que pretendía resolver matemáticamente el tiempo anterior al Big Bang, lo que daría un nuevo peso al universo oscilatorio y al Big Bounce. teorías. [dieciséis]
Uno de los principales problemas de la teoría del Big Bang es que existe una singularidad de volumen cero y energía infinita en el momento del Big Bang. Esto normalmente se interpreta como un colapso de la física tal como la conocemos; en este caso, de la teoría de la relatividad general . Por eso se espera que los efectos cuánticos adquieran importancia y eviten una singularidad.
Sin embargo, la investigación en cosmología cuántica de bucles pretendía mostrar que un universo previamente existente colapsa no hasta convertirse en una singularidad, sino hasta un punto en el que los efectos cuánticos de la gravedad se vuelven tan fuertemente repulsivos que el universo rebota, formando una nueva rama. A lo largo de este colapso y rebote, la evolución es unitaria.
Bojowald también afirmó que se pueden determinar algunas propiedades del universo que colapsó para formar el nuestro; sin embargo, otras propiedades no se pueden determinar debido a algún principio de incertidumbre . Este resultado ha sido cuestionado por diferentes grupos, que muestran que debido a las restricciones a las fluctuaciones derivadas del principio de incertidumbre, existen fuertes restricciones al cambio en las fluctuaciones relativas a lo largo del rebote. [17] [18]
Si bien la existencia del Big Bounce aún no se ha demostrado a partir de la gravedad cuántica de bucles, la solidez de sus características principales se ha confirmado utilizando resultados exactos [19] y varios estudios que involucran simulaciones numéricas utilizando computación de alto rendimiento en cosmología cuántica de bucles.
En 2006, se propuso que la aplicación de técnicas de gravedad cuántica de bucles a la cosmología del Big Bang puede conducir a un rebote que no tiene por qué ser cíclico. [20]
En 2010, Roger Penrose propuso una teoría basada en la relatividad general a la que llamó " cosmología cíclica conforme ". La teoría explica que el universo se expandirá hasta que toda la materia se desintegre y finalmente se convierta en luz. Dado que nada en el universo tendría una escala de tiempo o distancia asociada, el universo se vuelve idéntico al Big Bang, lo que resulta en un tipo de Big Crunch que se convierte en el próximo Big Bang, perpetuando así el siguiente ciclo. [21]
En 2011, Nikodem Popławski demostró que un gran rebote no singular aparece de forma natural en la teoría de la gravedad de Einstein-Cartan -Sciama-Kibble. [22] Esta teoría extiende la relatividad general eliminando una restricción de la simetría de la conexión afín y considerando su parte antisimétrica, el tensor de torsión , como una variable dinámica. El acoplamiento mínimo entre la torsión y los espinores de Dirac genera una interacción espín-espín que es significativa en materia fermiónica a densidades extremadamente altas. Tal interacción evita la singularidad no física del Big Bang, reemplazándola con un rebote en forma de cúspide en un factor de escala mínimo finito, antes del cual el universo se contraía. Este escenario también explica por qué el Universo actual en las escalas más grandes parece espacialmente plano, homogéneo e isotrópico, proporcionando una alternativa física a la inflación cósmica.
En 2012, se construyó una nueva teoría de un Gran Rebote no singular dentro del marco de la gravedad estándar de Einstein. [23] Esta teoría combina los beneficios del rebote de la materia y la cosmología ekpirótica . Particularmente, en la solución cosmológica de fondo homogénea e isotrópica, la inestabilidad de BKL es inestable al crecimiento del estrés anisotrópico, lo cual se resuelve en esta teoría. Además, las perturbaciones de curvatura sembradas en la contracción de la materia pueden formar un espectro de potencia primordial casi invariante en escala y así proporcionar un mecanismo consistente para explicar las observaciones del fondo cósmico de microondas (CMB).
Algunas fuentes sostienen que los agujeros negros supermasivos distantes cuyo gran tamaño es difícil de explicar tan pronto después del Big Bang, como ULAS J1342+0928 , [24] pueden ser evidencia de un Gran Rebote, ya que estos agujeros negros supermasivos se formaron antes del Gran rebote. [25] [26]
"Este agujero negro creció mucho más de lo que esperábamos en sólo 690 millones de años después del Big Bang, lo que desafía nuestras teorías sobre cómo se forman los agujeros negros", dijo el coautor del estudio Daniel Stern del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California.
Había alcanzado su tamaño apenas 690 millones de años después del punto más allá del cual no hay nada.
La teoría científica más dominante de los últimos años describe ese punto como el Big Bang: una erupción espontánea de la realidad tal como la conocemos a partir de una singularidad cuántica.
Pero recientemente ha ido ganando peso otra idea: que el universo pasa por expansiones y contracciones periódicas, lo que resulta en un "Gran Rebote".
Se ha predicho que los primeros agujeros negros serán un indicador clave de si la idea puede ser válida o no.
Éste es muy grande.
Para alcanzar su tamaño (800 millones de veces más masa que nuestro Sol) debe haber tragado muchas cosas.
... Hasta donde sabemos, el universo no era lo suficientemente viejo en ese momento para generar tal monstruo.
Esta nueva teoría que acepta que el Universo está pasando por expansiones y contracciones periódicas se llama "Big Bounce"
