El Big Crunch es un escenario hipotético para el destino final del universo , en el que la expansión del universo eventualmente se revierte y el universo vuelve a colapsar, causando en última instancia que el factor de escala cósmica llegue a cero, un evento potencialmente seguido por una reforma del universo que comienza. 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 desacelerarse por la gravedad , lo que sugiere que es más probable que se produzca un gran enfriamiento . [1] [2] [3] Sin embargo, hay nuevas teorías que sugieren que un evento "estilo Big Crunch" podría ocurrir por medio de una fluctuación de energía oscura ; sin embargo, esto todavía está siendo debatido entre los científicos. [4]
La teoría se remonta a 1922, cuando el físico ruso Alexander Friedmann creó un conjunto de ecuaciones que mostraban 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 reversión daría como resultado que el universo colapsara sobre sí mismo, no muy diferente a un agujero negro . [5]
El final del Big Crunch se llenaría de radiación de estrellas y partículas de alta energía ; cuando esto se condensa y se desplaza al 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 infinita, y en el fin absoluto no quedaría ni el tiempo ni el espacio. [7]
El escenario del Big Crunch [8] planteaba la hipótesis de que la densidad de materia en todo el universo es lo suficientemente alta como para que la atracción gravitacional supere la expansión que comenzó con el Big Bang. La cosmología FLRW puede predecir si la expansión eventualmente se detendrá basándose en la densidad de energía promedio , el parámetro de Hubble y la constante cosmológica . Si la expansión se detuvo, entonces inevitablemente seguirá una contracción, 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 de finales de los años 1990 y principios de los años 2000 (es decir, la observación de supernovas distantes como velas estándar ; y el mapeo bien resuelto del fondo cósmico de microondas ) [9] llevó a la conclusión de que la expansión del universo no se está desacelerando por gravedad, sino que se está acelerando . 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 Big Bounce , en la que después de que el big crunch destruye el universo, este realiza una especie de rebote, provocando otro big bang. [10] Esto podría repetirse potencialmente para siempre en un fenómeno conocido como universo cíclico.
Richard Bentley, un clérigo y erudito, en preparación para una conferencia sobre las teorías de Newton y el rechazo del ateísmo , envió una carta a Sir 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 estrellas infinitas, las fuerzas infinitas en todas direcciones no afectarían a todas? esas estrellas?"
Esta cuestión se conoce como la paradoja de Bentley , [11] una prototeoría del Big Crunch. Aunque ahora se sabe que las estrellas se mueven y no son estáticas.
Albert Einstein era partidario de un modelo del universo completamente inmutable. Colaboró en 1917 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 principio no encontraron problemas y los científicos adaptaron el modelo para describir el universo. Sin embargo, se toparon con una forma diferente de la paradoja de Bentley. [13]
La teoría de la relatividad general también describió el universo como inquieto, información contradictoria que encontró. Einstein se dio cuenta de que para que existiera un universo estático (lo que 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, a la teoría de la relatividad se añadió la constante cosmológica , el nombre de la fuerza antigravedad. [14]
Edwin Hubble, que trabaja en el Observatorio Mount Wilson , tomó medidas de las distancias de las galaxias y las emparejó con las mediciones de los desplazamientos al rojo asociados con dichas galaxias de Vesto Silpher y Milton Humason . Descubrió una proporcionalidad aproximada entre el corrimiento al rojo de un objeto y su distancia. Hubble trazó una línea de tendencia de 46 galaxias, estudiando y obteniendo la Constante de Hubble , que dedujo que era de 500 km/s/Mpc, casi siete veces lo que se considera hoy, pero aún dando la prueba de que el universo se estaba expandiendo y se estaba expandiendo. no es un objeto estático. [15]
Después de publicar el descubrimiento de Hubble, Einstein abandonó por completo la constante cosmológica. En su forma más simple, las ecuaciones generaron un modelo del universo que se expandía o contraía. Contradiciendo lo observado, de ahí la creación de la constante cosmológica. [16] Después de 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 el 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, aunque estático, fueron abandonados por el modelo de universo en expansión.
Una teoría llamada " Big Bounce " propone que el universo podría colapsar hasta el estado donde 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 ( Gran crisis). [10] Esto significa que puede haber un universo en un estado de Big Bangs y Big Crunch constantes.
Los universos cíclicos fueron considerados brevemente por Albert Einstein en 1931. Teorizó que había un universo antes del Big Bang, que terminó en un Big Crunch, que podría crear un Big Bang como reacción. Nuestro universo podría estar en un ciclo de expansión y contracción, un ciclo que posiblemente continúe infinitamente.
También existen teorías más modernas sobre los universos cíclicos. La teoría ekpirótica , formada por Paul Steinhardt , afirma que el Big Bang podría haber sido causado por dos planos orbitales paralelos , denominados 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 y luego al Big Bang. La materia y la radiación que nos rodean hoy son fluctuaciones cuánticas anteriores a las branas. Después de varios miles de millones de años, el universo ha alcanzado su estado moderno y comenzará a contraerse dentro de varios miles de millones de años más. 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 por calor debido a la acumulación de entropía . El nuevo modelo evita esto con una expansión neta después de cada ciclo, deteniendo la acumulación de entropía. Sin embargo, todavía existen algunos defectos en este modelo. 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 la gran crisis. Mientras que se conoce la inflación cósmica y el carácter general de las fuerzas (o la colisión de las branas en el modelo ekpirótico) necesarias para producir fluctuaciones del vacío . Falta un candidato de 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 resulta en una especie de Big Crunch que se convierte en el siguiente Big Bang, iniciando así el siguiente ciclo). [21] Penrose y Gurzadyan sugirieron que potencialmente se podrían encontrar firmas de cosmología cíclica conforme en el fondo cósmico de microondas ; a partir de 2020, estos no han sido detectados. [22]
También hay algunos defectos en esta teoría, los escépticos señalaron que para hacer coincidir un universo infinitamente grande con un universo infinitamente pequeño, todas las partículas deben perder su masa cuando el universo envejece. Sin embargo, Penrose presentó evidencia de CCC en forma de anillos que tenían una temperatura uniforme en el CMB, con la idea de que estos anillos serían la firma de nuestro eón (un eón es el ciclo actual del universo en el que nos encontramos). 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 contracción. En este modelo, la geometría cuántica crea una fuerza completamente nueva que es insignificante en una curvatura espacio-temporal baja, pero que aumenta muy rápidamente en el régimen de Planck , abrumando la gravedad clásica y resolviendo singularidades de la relatividad general . Una vez resueltas las singularidades, el paradigma conceptual de la cosmología cambia, lo que obliga a revisar las cuestiones estándar, como el problema del horizonte, desde una nueva perspectiva. [24]
Según 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 en la 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 los estados tienen fluctuaciones cuánticas muy grandes en momentos tardíos, lo que significa que no conducen a universos macroscópicos como los describe la relatividad general, pero la dinámica efectiva se aleja de la dinámica cuántica cercana al rebote y al universo posterior. En este caso, la dinámica efectiva sobreestimará la densidad en el rebote, pero aun así captará muy bien los aspectos cualitativos. [25]
Si una forma de quintaesencia impulsada por un campo escalar que evoluciona hacia un potencial monótonamente decreciente que pasa suficientemente por debajo de cero es la explicación (principal) de la energía oscura y los datos actuales (en particular las limitaciones de observación sobre la energía oscura) también son ciertos, la expansión acelerada del Universo sería inversa a la contracción en el 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 recientes conjeturas sobre la gravedad cuántica ". El estudio sugiere que la fase de contracción lenta "duraría 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 se produciría dentro de unos 100 mil millones de años del presente. En su modelo, el universo en contracción evolucionaría aproximadamente como la fase de expansión 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 . Con el tiempo, las estrellas llegarían a estar tan juntas que comenzarían a chocar 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 podrán irradiar su calor y se cocinarán 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 fragmentarían y serían absorbidos por agujeros negros que ya se están fusionando . En el momento del Big Crunch, toda la materia del universo sería aplastada 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.
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