El Big Crunch es un escenario hipotético para el destino final del universo , en el que la expansión del universo finalmente se revierte y el universo vuelve a colapsar, lo que finalmente hace que el factor de escala cósmico llegue a cero, un evento potencialmente seguido por una reformación del universo comenzando con otro Big Bang . La gran mayoría de la evidencia indica que esta hipótesis no es correcta. En cambio, las observaciones astronómicas muestran que la expansión del universo se está acelerando en lugar de ser desacelerada por la gravedad , lo que sugiere que es más probable que se produzca un Big Freeze . [1] [2] [3] No obstante, algunos físicos han propuesto que un evento "estilo Big Crunch" podría ser el resultado de una fluctuación de la energía oscura . [4]
La teoría se remonta a 1922, cuando el físico ruso Alexander Friedmann creó un conjunto de ecuaciones que demostraban que el fin del universo depende de su densidad . Podría expandirse o contraerse en lugar de permanecer estable. Con suficiente materia, la gravedad podría detener la expansión del universo y eventualmente revertirla. Esta inversión daría como resultado que el universo colapsara sobre sí mismo, algo similar a un agujero negro . [5]
El final del Big Crunch se llenaría de radiación de estrellas y partículas de alta energía ; cuando esto se condense y se desplace hacia el azul a una energía más alta, sería lo suficientemente intenso como para encender la superficie de las estrellas antes de que colisionen. [6] En los momentos finales, el universo sería una gran bola de fuego con una temperatura de infinito, y al final absoluto, no permanecerían ni el tiempo ni el espacio. [7]
El escenario del Big Crunch [8] planteó la hipótesis de que la densidad de materia en todo el universo es lo suficientemente alta como para que la atracción gravitatoria supere la expansión que comenzó con el Big Bang. La cosmología FLRW puede predecir si la expansión finalmente se detendrá basándose en la densidad de energía promedio , el parámetro de Hubble y la constante cosmológica . Si la expansión se detuvo, entonces la contracción seguirá inevitablemente, acelerándose a medida que pasa el tiempo y terminando el universo en una especie de colapso gravitacional , convirtiendo el universo en un agujero negro.
La evidencia experimental a finales de la década de 1990 y principios de la década de 2000 (a saber, la observación de supernovas distantes como candelas estándar ; y el mapeo bien resuelto del fondo cósmico de microondas ) llevaron a la conclusión de que la expansión del universo no se está frenando por la gravedad sino que se está acelerando . [9] El Premio Nobel de Física de 2011 fue otorgado a los investigadores que contribuyeron a este descubrimiento. [1]
La teoría del Big Crunch también conduce a otra hipótesis conocida como el Big Bounce , en la que después de que el Big Crunch destruye el universo, este hace una especie de rebote, causando otro Big Bang. [10] Esto podría potencialmente repetirse para siempre en un fenómeno conocido como universo cíclico.
Richard Bentley, clérigo y erudito, en preparación para una conferencia sobre las teorías de Newton y el rechazo del ateísmo , envió una carta a Isaac Newton ,
Si estamos en un universo finito y todas las estrellas se atraen entre sí, ¿no colapsarían todas en un punto singular, y si estamos en un universo infinito con infinitas estrellas, ¿no afectarían fuerzas infinitas en todas las direcciones a todas esas estrellas?
Esta cuestión se conoce como la paradoja de Bentley , una prototeoría del Big Crunch, aunque ahora se sabe que las estrellas se mueven y no son estáticas. [11]
Albert Einstein era partidario de un modelo inmutable del universo. En 1917 colaboró con el astrónomo holandés Willem de Sitter para ayudar a demostrar que la teoría de la relatividad general funcionaría con un modelo estático; Willem demostró que sus ecuaciones podían describir un universo muy simple. Al no encontrar problemas inicialmente, los científicos adaptaron el modelo para describir el universo. Se toparon con una forma diferente de la paradoja de Bentley. [13]
La teoría de la relatividad general también describió el universo como inquieto, contradiciendo la información que encontró. Einstein se dio cuenta de que para que existiera un universo estático (como se observó en ese momento), se necesitaría una antigravedad para contrarrestar la gravedad que contraía el universo, agregando una fuerza adicional que arruinaría las ecuaciones de la teoría de la relatividad. Al final, la constante cosmológica , el nombre de la fuerza antigravedad, se agregó a la teoría de la relatividad. [14]
Edwin Hubble, trabajando en el Observatorio del Monte Wilson, tomó medidas de las distancias de las galaxias y las emparejó con las mediciones de los desplazamientos al rojo asociados a esas galaxias de Vesto Silpher y Milton Humason . Descubrió una proporcionalidad aproximada entre el desplazamiento al rojo de un objeto y su distancia. Hubble trazó una línea de tendencia a partir de 46 galaxias, estudiando y obteniendo la Constante de Hubble , que dedujo que era de 500 km/s/Mpc, casi siete veces más de lo que se considera hoy, pero aún así dando la prueba de que el universo se estaba expandiendo y no era un objeto estático. [15]
Tras la publicación del descubrimiento de Hubble, Einstein abandonó la constante cosmológica. En su forma más simple, las ecuaciones generaban un modelo del universo que se expandía o se contraía, lo que contradecía lo observado, de ahí la creación de la constante cosmológica. [16] Tras la confirmación de que el universo se estaba expandiendo, Einstein calificó su suposición de que el universo era estático como su "mayor error". En 1931, Einstein visitó a Hubble para agradecerle por "proporcionar las bases de la cosmología moderna". [17] Después de este descubrimiento, los modelos de Einstein y Newton de un universo en contracción, pero estático, fueron abandonados en favor del modelo de universo en expansión.
Una teoría llamada “ Big Bounce ” propone que el universo podría colapsar al estado en el que comenzó y luego iniciar otro Big Bang, por lo que de esta manera, el universo duraría para siempre pero pasaría por fases de expansión (Big Bang) y contracción (Big Crunch). [10] Esto significa que puede haber un universo en un estado de Big Bangs y Big Crunch constantes.
En 1931, Albert Einstein se planteó brevemente la idea de universos cíclicos. Su teoría era que antes del Big Bang existía un universo que terminó en un Big Crunch, que podría generar un Big Bang como reacción. Nuestro universo podría estar en un ciclo de expansión y contracción, un ciclo que posiblemente continuaría infinitamente.
También existen teorías más modernas de universos cíclicos. La teoría ecpirótica , formulada por Paul Steinhardt , afirma que el Big Bang podría haber sido causado por dos planos orbifold paralelos , conocidos como branas, que colisionaron en un espacio de dimensiones superiores. [18] El universo de cuatro dimensiones se encuentra en una de las branas. La colisión corresponde al Big Crunch, luego al Big Bang. La materia y la radiación que nos rodea hoy son fluctuaciones cuánticas de antes de las branas. Después de varios miles de millones de años, el universo ha alcanzado su estado moderno y comenzará a contraerse en otros varios miles de millones de años. La energía oscura corresponde a la fuerza entre las branas, lo que permite solucionar problemas, como la planitud y el monopolo en las teorías anteriores. Los ciclos también pueden ir infinitamente hacia el pasado y el futuro, y un atractor permite una historia completa del universo. [19]
Esto soluciona el problema del modelo anterior del universo que entraba en muerte térmica por acumulación de entropía . El nuevo modelo evita esto con una expansión neta después de cada ciclo, deteniendo la acumulación de entropía. Sin embargo, este modelo aún tiene algunas fallas. Los teóricos de cuerdas aún no comprenden completamente la base de la teoría, las branas, y existe la posibilidad de que el espectro invariante de escala pueda ser destruido por el Big Crunch. Si bien se conoce la inflación cósmica y el carácter general de las fuerzas (o la colisión de las branas en el modelo ecpirótico) necesarias para generar fluctuaciones en el vacío , falta un candidato de la física de partículas . [20]
El físico Roger Penrose propuso una teoría basada en la relatividad general llamada cosmología cíclica conforme , en la que el universo se expande hasta que toda la materia se desintegra y se convierte en luz. Dado que nada en el universo tendría una escala de tiempo o distancia asociada, se vuelve idéntico al Big Bang (lo que da como resultado un tipo de Big Crunch que se convierte en el próximo Big Bang, iniciando así el siguiente ciclo). [21] Penrose y Gurzadyan sugirieron que las señales de la cosmología cíclica conforme podrían encontrarse potencialmente en el fondo cósmico de microondas ; hasta 2020, no se han detectado. [22]
Esta teoría también tiene algunas fallas: los escépticos señalaron que para que un universo infinitamente grande coincida con un universo infinitamente pequeño, todas las partículas deben perder su masa cuando el universo envejece. Penrose presentó evidencia de la CCC en forma de anillos que tenían una temperatura uniforme en el CMB, con la idea de que estos anillos serían la señal de que nuestro eón (un eón es el ciclo actual del universo en el que nos encontramos) fue causado por ondas gravitacionales esféricas causadas por la colisión de agujeros negros de nuestro eón anterior. [23]
La cosmología cuántica de bucles es un modelo del universo que propone un "puente cuántico" entre universos en expansión y en contracción. En este modelo, la geometría cuántica crea una fuerza completamente nueva que es despreciable en una curvatura baja del espacio-tiempo, pero que aumenta muy rápidamente en el régimen de Planck , superando la gravedad clásica y resolviendo las singularidades de la relatividad general . Una vez resueltas las singularidades, el paradigma conceptual de la cosmología cambia, lo que obliga a revisar las cuestiones habituales (como el problema del horizonte) desde una nueva perspectiva. [24]
En este modelo, debido a la geometría cuántica, el Big Bang es reemplazado por el Big Bounce sin suposiciones ni ajustes finos. El enfoque de la dinámica efectiva se ha utilizado ampliamente en la cosmología cuántica de bucles para describir la física a escala de Planck, y también el comienzo del universo. Las simulaciones numéricas han confirmado la validez de la dinámica efectiva, que proporciona una buena aproximación de la dinámica cuántica de bucle completo. Se ha demostrado que cuando los estados tienen fluctuaciones cuánticas muy grandes en tiempos tardíos, lo que significa que no conducen a universos macroscópicos como los descritos por la relatividad general, pero la dinámica efectiva se aleja de la dinámica cuántica cerca del rebote y del universo posterior. En este caso, la dinámica efectiva sobrestimará la densidad en el rebote, pero aún así capturará aspectos cualitativos extremadamente bien. [25]
Si una forma de quintaesencia impulsada por un campo escalar que evoluciona hacia abajo a través de un potencial monótonamente decreciente que pasa suficientemente por debajo de cero es la (principal) explicación de la energía oscura y los datos actuales (en particular las restricciones observacionales sobre la energía oscura) también son ciertos, la expansión acelerada del Universo se invertiría a la contracción dentro del futuro cósmico cercano de los próximos 100 millones de años. Según un estudio de Andrei-Ijjas-Steinhardt, el escenario encaja "naturalmente con las cosmologías cíclicas y las conjeturas recientes sobre la gravedad cuántica ". El estudio sugiere que la fase de contracción lenta "duraría durante un período del orden de mil millones de años antes de que el universo pase a una nueva fase de expansión". [26] [27] [28]
Paul Davies consideró un escenario en el que el Big Crunch sucedería aproximadamente 100 mil millones de años a partir del presente. En su modelo, el universo en contracción evolucionaría aproximadamente como la fase de expansión pero a la inversa. Primero, los cúmulos de galaxias , y luego las galaxias, se fusionarían, y la temperatura del fondo cósmico de microondas (CMB) comenzaría a aumentar a medida que los fotones del CMB se desplazaran hacia el azul . Las estrellas eventualmente se acercarían tanto que comenzarían a colisionar entre sí. Una vez que el CMB se vuelva más caliente que las estrellas de tipo M (unos 500.000 años antes del Big Crunch en el modelo de Davies), ya no podrían irradiar su calor y se cocinarían hasta evaporarse; esto continúa para estrellas sucesivamente más calientes hasta que las estrellas de tipo O se evaporan unos 100.000 años antes del Big Crunch. En los últimos minutos, la temperatura del universo sería tan grande que los átomos y los núcleos atómicos se romperían y serían absorbidos por agujeros negros que ya se están fusionando . En el momento del Big Crunch, toda la materia del universo se aplastaría en una singularidad infinitamente caliente e infinitamente densa similar al Big Bang . [29] El Big Crunch puede ser seguido por otro Big Bang, creando un nuevo universo. [4]
En El restaurante del fin del universo , una novela de Douglas Adams , el concepto es que un restaurante, Milliways, está diseñado para permitir a los clientes observar el fin del universo, o "Gnab Gib", como se lo conoce, mientras cenan. [30] El término se usa a veces en la corriente principal, por ejemplo (como "gnaB giB") en Física I para Dummies y en una publicación que analiza el Big Crunch. [31]
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