O BIG BANG ERA APENAS UM BURACO NEGRO?

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Fraser "pergunta a um astronauta" Dr. Paul Matt Sutter - por que chamamos o Big Bang de singularidade, quando também chamamos de singularidades de buracos negros?

O universo está cheio de coincidências. Ou a forma da Nebulosa do Pac Man ou da Nebulosa Mágica. Ou, como o enredo de Force Awakens e todos os outros filmes de Guerra nas Estrelas, as coincidências estão por toda parte.

Mas aqui está uma coincidência bastante estranha, e tem a ver com a natureza do próprio Universo. Siga-me aqui.

Vamos considerar os buracos negros, um tópico que abordamos muitas vezes neste canal. Se você já assistiu o suficiente de nossos vídeos, sabe que um buraco negro é uma região do espaço onde a matéria e a energia foram compactadas com tanta densidade que a velocidade de escape gravitacional excede a velocidade da luz.

Não sabemos o quão grandes são os buracos negros, mas é possível que eles tenham sido esmagados em uma região infinitamente densa, conhecida como singularidade.

Singularidade, singularidade ... onde ouvimos essa palavra antes? Além de Ray Kurzweil e sua equipe de singularistas tecnológicos.

Essa palavra surge quando discutimos a formação do Universo; a grande explosão. No início, 13,8 bilhões de anos atrás, tudo no Universo inteiro foi esmagado em uma região de densidade infinita. E então, em uma fração de segundo, tudo se expandiu para fora.

Os astrônomos chamam essa região de densidade infinita de singularidade do Big Bang.

Isso não pode ser apenas uma coincidência, certo? É a mesma palavra. É a mesma palavra!

A singularidade do Big Bang era apenas uma singularidade realmente grande do buraco negro? Um buraco negro com toda a massa do universo dentro dele?

Eu vou admitir, esta pergunta está um pouco além do meu paygrade. Para explicar completamente a ciência, pensei em trazer uma campainha. O Dr. Paul Matt Sutter é astrofísico da Ohio State University e do Observatório Astronômico de Trieste.

Paul é especialista em vazios cósmicos, ele também sabe muito sobre o Big Bang e os buracos negros. Encontrei Paul no set de seu podcast Ask a Spaceman e joguei esse zinger diretamente nele.

Ei Paul, qual é a diferença entre a singularidade que formou o Big Bang e a singularidade de um buraco negro?

1. O Universo inteiro partiu de um buraco negro realmente enorme?
Paul: Obrigado, Fraser. Portanto, quando analisamos as singularidades, é importante ter em mente o que é uma singularidade. Uma singularidade é um lugar de densidade infinita, e isso não é realmente uma coisa. Significa apenas que a matemática que estamos usando para descrever a coisa foi quebrada. Como obtemos infinitos em nossas respostas quando tentamos calcular o que está acontecendo. Até onde sabemos, esse tipo de coisa, essas falhas na matemática, acontecem em dois lugares. Um está no centro de um buraco negro, onde as coisas são comprimidas tanto que não conseguimos mais acompanhar a matemática, e a outra vez é no universo muito primitivo, quando o universo inteiro é triturado em um volume tão pequeno em densidades tão altas que não podemos mais seguir a matemática. Portanto, essa é a única coisa que eles têm em comum - que existe uma singularidade, o que significa que não podemos mais fazer as contas.

Paul: E, mesmo sendo iguais, são muito, muito diferentes. Uma singularidade de buraco negro é um ponto no espaço-tempo - como você vive no universo e você pode apontar - há uma singularidade como ali, ou ali ou ali. É um pedaço do universo que está incorporado no universo maior, enquanto a singularidade do Big Bang é o universo inteiro. É uma coisa diferente, onde o universo inteiro é compactado em densidades incrivelmente altas que nossa matemática não consegue mais acompanhar.

2. Por que o universo primitivo não entrou em colapso em um buraco negro?
Paul: Oh, essa é uma pergunta muito boa, Fraser. Você está pensando nessas densidades incrivelmente altas no universo primitivo, e é natural se perguntar por que não se comportou como um buraco negro se comporta e se transforma em um ponto infinitamente denso - por que se preocupar em expandir? E é importante lembrar aqui como os buracos negros são diferentes do universo primitivo. Nos dois casos, estamos usando a relatividade geral - essas são as leis da gravidade - elas governam as leis desses sistemas. Mas estamos usando o mesmo conjunto de equações em diferentes cenários. Estamos usando-os para descrever coisas diferentes. Um buraco negro é uma solução específica para as equações de relatividade geral de Einstein, e essa solução surge da pergunta: "Se eu levar um monte de coisas por lá e compactá-lo em densidades incrivelmente altas, o que acontece?" A resposta é que você obtém uma singularidade cercada por um horizonte de eventos. Esse é um conjunto específico de soluções para a matemática desse cenário.

Paul: Mas no universo primitivo, temos uma solução diferente - temos uma coisa diferente acontecendo. É um universo diferente. A solução do buraco negro é estática - é fixa, é imutável com o tempo. Essa é uma suposição na matemática. Mas no início do universo, as coisas estão mudando. É um conjunto diferente de perguntas que tentamos responder quando aplicamos a relatividade geral ao universo primitivo: "Se eu preencher o universo inteiro uniformemente com um monte de coisas, o que o universo inteiro faz?" Essa é uma pergunta diferente da que estamos fazendo sobre buracos negros e, por isso, temos uma resposta diferente. Portanto, mesmo que tenhamos uma densidade incrivelmente alta, a solução matemática que a descreve, porque estamos descrevendo a evolução temporal do universo, obtemos respostas diferentes das dos bits do buraco negro. E quando se trata do universo primitivo - quando você o enche uniformemente com um monte de coisas e pergunta o que diabos acontece com o universo, há apenas duas respostas. Ou as coisas no universo fazem com que as coisas entrem em colapso e contraiam ou as coisas no universo fazem com que o universo se expanda. E depende do que o universo é feito e, com bastante facilidade, o universo é feito do tipo de coisa que o faz se expandir. É esse componente de evolução temporal aqui que é importante - que define a diferença entre o que está acontecendo no início do universo e o que está acontecendo em um buraco negro.

3. Os buracos negros poderiam ter se formado no Universo primitivo por ter densidades tão altas?
Paul: Ah, sim, muito esperto, Fraser. Eu vejo para onde você está indo com isso. Com densidades incrivelmente altas, você está se perguntando se talvez um pedacinho do universo tenha sido arrancado e feito um buraco negro. Talvez naqueles primeiros microssegundos. E por que esse buraco negro não se expandiu para consumir o resto do universo? E a chave aqui não é sobre densidade, é sobre diferenças de densidade. O que separa um buraco negro de mim é que é muito mais denso do que eu, ou pelo menos espero que sim. É isso que o torna um buraco negro. É muito mais denso do que o ambiente. Mas, para criar esse buraco negro, era preciso ter um pouco de coisas extras, como no bolso, como uma nuvem de gás ou uma estrela, uma densidade um pouco maior que o normal. Então a gravidade pode funcionar e começar a puxar mais coisas, mais coisas e mais, construindo e construindo até obter o colapso gravitacional que leva a um buraco negro.

Paul: Mas no começo do universo, tudo era uniforme. Não houve diferenças na gravidade. Sim, era incrivelmente alta densidade, mas se você pudesse ser transportado para lá e realmente sobreviver, não sentiria nenhum puxão gravitacional em lugar algum, porque todas as direções têm a mesma densidade. Você está cercado pela mesma quantidade de coisas em todas as direções - não há gravidade. Tudo se cancela. Portanto, não há oportunidade para a formação de um buraco negro porque qualquer ponto do universo não é mais denso do que qualquer outro, então toda a gravidade é cancelada e você não recebe nada. Nenhum buraco negro - eles não entram em cena até muito, muito mais tarde na evolução do universo e, a essa altura, o universo é tão grande que os buracos negros não podem afetar a evolução geral.

4. No momento, o universo está se expandindo - algum dia entrará em colapso?

Paul: Sim, muitos astrofísicos e cosmólogos se preocupam com isso há décadas - pensávamos que sim, talvez o universo esteja se expandindo agora, mas talvez haja um pouco demais - talvez essa expansão diminua, pare e depois ao contrário, e acabaríamos nesse cenário maciço de crise, o oposto do Big Bang.

Paul: Mas acontece que a energia escura está aqui, e a energia escura faz a expansão do universo acelerar, não apenas o universo está ficando cada vez maior a cada dia, mas está ficando cada vez mais rápido a cada dia. E isso, bem, isso meio que é uma merda.

Parece bastante aberto e fechado, mas há mais nessa jornada. Se você pegasse a massa e a energia de todo o universo e o transformasse em um buraco negro, ele teria quase exatamente a mesma densidade do próprio universo e um horizonte de eventos maior que o universo observável.

Então, isso significa que estamos, de fato, vivendo dentro de um buraco negro? Podemos dizer a diferença?