Estudo sugere que o Big Bang pode ter começado a partir de um rebote no interior de um buraco negro
(port.ac.uk)- Um novo artigo na Physical Review D interpreta o Big Bang não como o ponto de partida de tudo, mas como o resultado de um rebote (bounce) ocorrido no interior após o colapso gravitacional que formou um buraco negro extremamente massivo
- A cosmologia padrão explica a estrutura e a evolução do universo com o Big Bang, a inflação cósmica e a energia escura, mas deixa problemas fundamentais como a singularidade e componentes que nunca foram observados diretamente
- O novo modelo aplica o princípio de exclusão quântica para mostrar que a matéria em colapso não é comprimida infinitamente, podendo parar em um estado de alta densidade e depois voltar a se expandir
- O rebote é tratado dentro dos princípios básicos da relatividade geral e da mecânica quântica, sem exigir física especulativa como campos exóticos ou dimensões extras
- Se observações confirmarem que o universo não é completamente plano e possui uma pequena curvatura espacial positiva, isso poderá ser um forte indício do modelo de universo com origem em um rebote
Um modelo que vê o Big Bang não como início, mas como rebote
- Um novo artigo publicado na Physical Review D propõe que o Big Bang pode não ter sido o começo de tudo, mas o resultado de um rebote ocorrido dentro de um buraco negro extremamente massivo criado por colapso gravitacional
- Esse modelo é chamado de universo-buraco-negro (black hole universe) e busca explicar a origem do universo de uma forma totalmente diferente, mas ainda baseada na física conhecida e em observações
- A ideia é que um conjunto superdenso de matéria colapsa pela gravidade, atinge uma densidade extremamente alta e, em vez de formar uma singularidade, sofre um rebote que leva a uma nova fase de expansão
As lacunas deixadas pela cosmologia padrão
- O modelo cosmológico padrão explica com sucesso a estrutura e a evolução do universo com base no Big Bang e na rápida expansão do universo primitivo conhecida como inflação cósmica
- Mas o modelo do Big Bang começa em uma singularidade de densidade infinita, um ponto em que as leis da física deixam de funcionar
- Para explicar a estrutura em grande escala do universo, os físicos introduzem uma fase de inflação impulsionada por um campo desconhecido com propriedades incomuns
- A expansão acelerada observada atualmente também exige outro componente desconhecido: a energia escura
- O modelo padrão funciona bem, mas depende de novos componentes que nunca foram observados diretamente e ainda deixa perguntas como “de onde veio tudo?”, “por que começou dessa forma?” e “por que o universo é tão plano, liso e grande?”
Como ocorre um rebote em vez de uma singularidade no interior de um buraco negro
- Em vez de rastrear o universo em expansão de trás para frente, o novo modelo examina o que acontece no interior quando uma matéria superdensa colapsa sob a gravidade
- O processo de uma estrela colapsar e virar um buraco negro é bem conhecido, mas o que acontece dentro do horizonte de eventos, de onde nada pode escapar, ainda permanece um mistério
- Em 1965, Roger Penrose provou que, em condições gerais, o colapso gravitacional deveria levar a uma singularidade, e Stephen Hawking e outros ampliaram esse resultado
- Esses teoremas da singularidade sustentam a ideia de que singularidades como a do Big Bang seriam inevitáveis
- Penrose recebeu o Prêmio Nobel de Física de 2020 em parte por esse trabalho
- Porém, esses teoremas dependem da física clássica, que trata de objetos macroscópicos
- Em densidades extremas, é preciso incluir os efeitos da mecânica quântica, que governa o mundo microscópico de átomos e partículas, e isso pode mudar a conclusão
Os resultados matemáticos e as condições físicas do novo artigo
- O artigo mostra que o colapso gravitacional não precisa necessariamente terminar em uma singularidade e apresenta uma solução analítica exata sem aproximações
- Matematicamente, ele calcula que, ao se aproximar de uma singularidade potencial, o tamanho do universo varia como uma função hiperbólica do tempo cósmico
- Essa solução descreve como uma nuvem de matéria em colapso atinge um estado de alta densidade e depois ricocheteia para fora, entrando em uma nova fase de expansão
- O elemento central que torna o rebote possível é o princípio de exclusão quântica
- Dois férmions idênticos não podem ocupar o mesmo estado quântico, como o mesmo spin
- Por causa dessa regra, as partículas na matéria em colapso não podem ser comprimidas infinitamente
- Como resultado, o colapso para e se inverte e, sob condições adequadas, o rebote pode não só ser possível como inevitável
- Esse rebote ocorre dentro de um quadro que combina a relatividade geral, aplicada a grandes escalas como estrelas e galáxias, com os princípios básicos da mecânica quântica
- O modelo não exige campos exóticos, dimensões extras nem física especulativa
Uma explicação alternativa para inflação e energia escura
- O universo que surge depois do rebote pode se parecer muito com o nosso universo atual
- Mais do que isso, o rebote explicaria de forma natural duas fases distintas de expansão acelerada: a inflação e a energia escura
- A interpretação é que essas duas fases não vêm de campos hipotéticos, mas da própria física do rebote
Previsões testáveis e indícios observacionais
- Um dos pontos fortes do modelo é que ele faz previsões testáveis
- O modelo prevê que o universo não é exatamente plano, mas deve ter uma curvatura espacial positiva pequena, porém diferente de zero
- Isso seria interpretado como um vestígio da pequena superdensidade inicial que desencadeou o colapso
- Em outras palavras, o universo seria ligeiramente curvo, como a superfície da Terra
- Se futuras observações, como a missão Euclid mission, confirmarem essa pequena curvatura positiva, isso poderá ser um forte indício de que o universo surgiu de um rebote desse tipo
- O modelo também faz previsões sobre a taxa de expansão atual do universo, e considera que essa previsão já foi confirmada
Perguntas que se estendem ao universo primordial e à pesquisa em matéria escura
- O modelo de universo-buraco-negro pode oferecer novas pistas não só para problemas técnicos da cosmologia padrão, mas também para outros mistérios sobre o universo primordial
- Entre as questões relacionadas estão a origem dos buracos negros supermassivos, a natureza da matéria escura e a formação e evolução hierárquica das galáxias
- Futuras missões espaciais como Arrakhis devem estudar estruturas difusas que são difíceis de detectar com telescópios terrestres tradicionais
- Entre os alvos estão os halos estelares, estruturas esféricas de estrelas e aglomerados globulares que cercam as galáxias
- Também estão incluídas as galáxias satélites, pequenas galáxias que orbitam galáxias maiores
- Essas observações podem ajudar a entender a matéria escura e a evolução galáctica
- Objetos compactos remanescentes como buracos negros que se formaram durante a fase de colapso e sobreviveram ao rebote podem estar ligados a esses fenômenos
Uma perspectiva sobre nossa posição dentro do universo
- No quadro do universo-buraco-negro, todo o universo observável estaria dentro de um buraco negro formado em um universo-pai maior
- Nessa visão, a posição da humanidade não é especial, em contraste com a antiga ideia geocêntrica de que a Terra estaria no centro do universo
- Em vez de ver o universo como uma cena em que tudo nasceu do nada, o modelo o interpreta como a continuidade de um ciclo cósmico produzido pela gravidade, pela mecânica quântica e pela ligação profunda entre ambas
1 comentários
Comentários do Hacker News
Por ser um resumo escrito pelo próprio autor do artigo científico, ficou bem claro. Há o risco de simplificação excessiva, mas pelo menos elimina a possibilidade de que quem escreveu não tenha entendido a ciência básica
Só me preocupa um mundo em que pesquisadores sejam avaliados mais pelo desempenho viral de um post de blog do que pelo impacto da pesquisa
https://www.amazon.com/World-Physics-Library-Literature-Anti...
Este texto não se baseia em teoria de gestão nem em metáforas institucionais, mas em um artigo de física (arXiv:2505.23877)
O que o artigo de fato propõe é que o Big Bang pode ter sido um rebote gravitacional dentro de um buraco negro formado em um universo-pai maior. A pressão de degenerescência quântica interromperia o colapso antes que surgisse uma singularidade e, por fora, ele pareceria um buraco negro, mas por dentro se desdobraria em 13,8 bilhões de anos de expansão. Em resumo, é um modelo de colapso relativístico com correções quânticas que evita a singularidade, inclui uma pequena curvatura negativa e uma fase natural semelhante à inflação, e gera previsões testáveis
A proposta é considerar, na relatividade geral, o colapso de uma grande nuvem esférica e rarefeita de matéria. Nesse processo se forma um horizonte de eventos e, depois disso, do lado de fora ela parece um buraco negro comum, enquanto a evolução interna não pode mais ser observada. No interior há a nuvem de matéria, uma grande casca de vácuo e o horizonte de eventos
A mecânica quântica sugere que, por causa da pressão de degenerescência, a equação de estado inicialmente parece “poeira rarefeita”, mas em algum momento se torna quase “incompressível”. Sob várias hipóteses e aproximações, obtém-se uma solução em que o interior ricocheteia por causa da pressão de degenerescência; do ponto de vista interno, parece surgir uma constante cosmológica aparente, e o horizonte cosmológico corresponderia ao horizonte do buraco negro visto de fora
Ao longo do artigo, eles inserem números aproximados para argumentar que a escala, a massa, a idade e a constante cosmológica aparente do nosso universo observável são compatíveis com esse mecanismo, e também tratam, de forma um tanto gestual, das perturbações e das anisotropias da radiação cósmica de fundo. Se funcionar bem, seria realmente fantástico, mas ainda não tenho certeza de que o modelo se sustente internamente, e há muita argumentação por alto. O ajuste com o universo observado de fato ainda não me parece convincente
Estou afastado da cosmologia há anos e sou matemático, não físico, então esta avaliação deve ser tomada com bastante cautela. Ela se baseia na leitura do preprint no arXiv, e não acompanhei todos os cálculos nem todas as referências
Além disso, eles parecem não tratar da estabilidade perto do rebote. Acho que essa região tem a conhecida instabilidade anisotrópica do tipo BKL. Em parâmetros adequados, talvez o rebote aconteça antes que essa instabilidade cresça; e pode ser que, ao inserir números ajustados ao universo observado, o artigo ou as referências afirmem isso e eu tenha deixado passar. Ainda assim, se tudo se encaixar, o modelo em si será impressionante, mesmo que seja instável
É difícil até imaginar o quão grande teria de ser um universo 4-dimensional para conter o nosso universo, e, se houver mais camadas, isso fica absurdamente maior. Por outro lado, dentro do nosso universo talvez possam caber com facilidade incontáveis universos planos
Se o ponto central do texto for o rebote fermiônico, então, considerando a quantidade de matéria e energia que conhecemos, teria de ser um buraco negro gigantesco, e fico curioso sobre em que ambiente ele esteve até atingir esse tamanho
Ainda assim, teorias e especulações sobre universos em buracos negros já existem há muito tempo, e é uma ideia que surge naturalmente quando se aprende o conceito de horizonte de eventos; eu gostaria que isso fosse um pouco mais reconhecido, em vez de ser tratado apenas como uma “alternativa radical e surpreendente”. O diferencial está na solução analítica
Há dois problemas ou perguntas nessa teoria
Primeiro, ela exige um universo-pai que não tenha se formado dentro de um buraco negro. Nesse caso, teria de haver um segundo mecanismo de “criação de universo”, que talvez nós, dentro do universo-filho, não possamos conhecer. Em vez de um campo desconhecido com propriedades estranhas, passamos a ter um universo-pai desconhecido com propriedades estranhas, então isso não parece responder à pergunta real: “como o nosso universo começou?”
Segundo, o buraco negro do universo-pai teria de conter toda a matéria que vemos, portanto teria de ser muito maior do que qualquer buraco negro conhecido no nosso universo. Fica a dúvida de como poderia se formar um buraco negro 750 bilhões de vezes maior que o maior buraco negro conhecido
Em modelos de buracos negros como a solução de Schwarzschild, há uma região de espaço-tempo assintoticamente plano que, do ponto de vista do nosso universo, faz parte do buraco negro. A ideia de que algo aconteça perto da singularidade e dê origem a um novo universo não soa tão absurda
Se o nosso universo é filho de outro universo, e esse universo também é filho de outro, isso combina com modelos de multiverso que tratam de questões como “por que os parâmetros do universo são assim?”. Talvez tenhamos simplesmente a sorte de estar em um universo onde podemos viver, ou talvez exista uma espécie de seleção natural em que universos que produzem mais buracos negros tenham mais filhos
Quanto ao tamanho relativo do buraco negro-pai, no universo não é obrigatório que a conservação de energia se aplique no sentido comum. Uma ideia é que a energia de ligação gravitacional do universo seja igual ao negativo da massa total do universo, fazendo a soma dar zero; assim, ter mais ou menos dessa quantidade não violaria nada
Se esse processo se repete para sempre, se perde energia no ricochete e, se perde, para onde e como ela vai, são perguntas separadas
A afirmação de que o buraco negro do universo-pai teria de ser muito maior é ao mesmo tempo correta e não correta. Ela não leva em conta a contração. Na relatividade, é possível até uma situação em que uma escada de 100 pés cabe dentro de um celeiro de 10 pés
Acima de tudo, para publicar não é preciso saber tudo de uma vez. Se fosse assim, ninguém conseguiria publicar artigos. É bom que haja críticas, e essas críticas levam ao próximo trabalho
Também não sabemos se o nosso universo é grande ou pequeno em comparação com outros universos. Não sabemos se faz sentido comparar tamanhos entre universos, nem, se fizer, como isso deveria ser feito. O próprio Big Bang talvez seja a maior especulação da ciência moderna
Já li em algum lugar que o nosso universo 3D poderia estar dentro de um buraco negro 4D. A explicação era que, ao cruzar o horizonte de eventos de um buraco negro, a coordenada radial passa a se comportar como tempo, então perdemos um grau de liberdade espacial, enquanto o movimento nas direções tangenciais continua possível, formando um universo de N-1 dimensões
Assim, o nosso universo 3D poderia ser matéria que caiu em um buraco negro 4D, e os nossos buracos negros 3D poderiam conter universos de Flatland 2D. O universo 4D externo também poderia estar dentro de um buraco negro 5D, e assim por diante
Uma vez chutei que fosse c. Afinal, é uma constante. Talvez todas as constantes sejam restos espaguetificados de um universo superior
Além disso, depois de entrar em um buraco negro, a singularidade não é um lugar que você possa cutucar com uma vara. A singularidade está no seu futuro, do mesmo modo que a morte está no futuro
É um texto interessante, mas, mesmo que o autor esteja certo e o universo tenha se formado como um buraco negro de um universo maior, a pergunta permanece. Então como esse universo maior se formou? Talvez seja uma questão incognoscível
Alguns séculos atrás, alguém poderia ter perguntado “o que acontece se formos até a borda da Terra plana?”, ou também “o que há ao norte do Polo Norte?”
Só que não parece haver uma hipótese sobre a origem
Nesse sentido, buracos negros podem ser regiões em que o nosso universo retornou de um estado de baixa entropia para um estado inicial de entropia quase infinito
Há muitas perguntas sobre este tema
Não tenho formação formal em física, mas depois que descobri que a massa de um buraco negro é linearmente proporcional ao raio de Schwarzschild, essa ideia passou a me parecer bastante plausível. Quanto maior o buraco negro, menor deve ser sua densidade total. Somando isso à observação de que o nosso universo tem densidade uniforme em grande escala, parecia haver algum valor crítico em que a densidade decrescente de um buraco negro muito grande se encontraria com a densidade fixa do universo observável
Conversei muitas vezes sobre essa questão com colegas técnicos que gostam de física, mas nunca obtive uma resposta clara
Por outro lado, vi muitas vezes a energia escura ser explicada como uma espécie de substituto de energia real, isto é, como uma energia subjacente que acelera o afastamento das coisas, e essa formulação sempre me incomodou. Parecia mais plausível vê-la como energia negativa, ou seja, como uma perda da energia total
Em campos clássicos, quando dois objetos se afastam, fica armazenada energia potencial que pode ser recuperada depois. A energia escura não funciona assim: quanto mais distantes os objetos estão, mais rápido se afastam. De uma perspectiva global, parece uma perda de energia. Essa perda também permeia o mundo quântico: um fóton que parte em alta frequência chega em baixa frequência
Por isso, parece mais adequado pensar na energia escura como energia sendo extraída do universo de alguma forma e não retornando. Pode ser algo como evaporação de buraco negro observada de dentro. Quando perguntei a pessoas de fato, ouvi a resposta de que o componente “energia” da energia escura é normalizado como uma “tensão” do espaço, mas mesmo sem ter estudado física direito isso não me pareceu satisfatório
A ideia era que, nos vazios entre galáxias, o tempo flui mais rápido do que dentro das galáxias, e que, na escala do universo inteiro, essa diferença se acumula bastante. Meu entendimento dessa área é muito limitado, mas gostei bastante dessa teoria e achei que ela fazia certo sentido
O tamanho e a densidade do volume de Schwarzschild são determinados apenas pela massa e, quando estático e sem rotação, a densidade é inversamente proporcional ao quadrado da massa. densidade = 3c⁶/32πG³M²
Um buraco negro supermassivo tem cerca de 0,5 kg/m³, algo entre ar rarefeito e água, enquanto um buraco negro de massa estelar tem cerca de 1e19 kg/m³, várias ordens de magnitude acima de uma estrela de nêutrons
O Big Bang costuma ser descrito na mídia como “o nascimento explosivo do universo, no qual espaço, tempo e matéria surgiram à existência”. Mas essa não é a teoria atualmente aceita. “E se não havia espaço nem tempo antes do Big Bang?” é mais uma teoria pessoal de Stephen Hawking
Não há uma forma, em princípio, racional e fundamentada de fazer afirmações sobre o que havia antes do ponto em que nossas teorias deixam de funcionar, e isso inclui a afirmação de que “antes disso não havia absolutamente nem espaço nem tempo”
Por isso, tudo o que você ouviu sobre “antes do Big Bang” sempre foi especulação. Como a mídia científica continua cobrindo essas especulações, às vezes a própria cobertura é lida como se a ciência continuasse mudando de posição. Mas, neste tema, a ciência nunca teve uma posição justificável e consistente. Reivindicar certeza não é uma afirmação da ciência; é um problema da imprensa ao não deixar isso claro e escrever como se “a ciência tivesse descoberto”
Houve uma época em que se pensava que a Terra era o centro do universo; depois, que o Sol era o centro do universo. O próximo passo natural parece ser que nosso universo não é o centro dos universos
Se todo o nosso universo observável está dentro de um buraco negro surgido em um “universo-pai” maior, não se seguiria que os buracos negros do nosso universo também contêm universos em seu interior, além do horizonte de eventos? Parece que deveria ser assim, e isso é realmente vertiginoso
https://en.wikipedia.org/wiki/White_hole#Big_Bang/Supermassi...
Recomendação de hard sci-fi leve: Cosm (1999), de Gregory Benford. É a história de um universo do tamanho de uma bola de boliche criado em laboratório, e da cientista que o criou tentando mantê-lo em segurança enquanto é perseguida por agentes do governo. Ela tenta proteger aquele universo pelo maior tempo possível, mas o tempo também é relativo à escala, então não é preciso esperar tanto assim