Por que o big bang não apenas produziu um grande buraco negro?

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Perguntas sobre as quais frequentemente me pergunto:

1) Se toda a matéria e energia estavam concentradas em um único ponto no big bang, por que não era um buraco negro ou por que não o formava?

2) Se a razão nº 1 acima não formou um buraco negro é uma das várias explicações, como inflação ou qualquer outra coisa, por que toda a massa e energia não formaram um grande buraco negro em algum momento finito após esse big bang? aconteceu? Por exemplo, eu (possivelmente incorretamente) ouvi dizer que a inflação tornava o universo do tamanho de uma laranja. Bem, por que não formou um buraco negro então? Ou uma vez que o universo se expandisse para, digamos, o tamanho da lua. Por que não então? Basta inserir o tamanho razoável que você deseja no lugar de "laranja" ou "lua". A questão é por que um buraco negro não se formou com toda a matéria e energia após o big bang?

Obrigado.

yadda
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Yadda - seus comentários sobre as duas excelentes respostas abaixo mostram que existem alguns fundamentos que você precisa entender. Sem eles, você não será capaz de entender por que essa pergunta realmente não faz sentido. Eu sugeriria estudar o comportamento dos modelos de GR do espaço-tempo aproximando-se dessa singularidade no tempo = 0 para ver por que suas suposições são falhas.
Rory Alsop
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Leia também astronomy.stackexchange.com/questions/6305
Rory Alsop

Respostas:

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Seu problema surge basicamente da tentativa de aplicar a lógica do buraco negro de Schwarzchild, cujas suposições são praticamente violadas ao máximo no big bang.

O que se segue foi verdadeiro no big bang e viola a lógica usual de formação de buracos negros.

O evento ocorreu em todo lugar no espaço, na verdade não é um ponto. Em particular, a energia foi distribuída uniformemente por toda parte. O potencial gravitacional líquido estava, portanto, próximo de zero e não havia um ponto em que tudo pudesse entrar em colapso. Além disso, como as coisas estavam por toda parte, não havia espaço de vácuo (em um espaço-tempo plano, nem menos) fora da região em colapso. Além disso, as coisas estavam se movendo rapidamente, estavam em um estado altamente excitado e não estavam em equilíbrio térmico (até a inflação atingir, e então as coisas estavam muito diluídas e causalmente desconectadas para entrar em colapso em massa).

t=0

Editar:

Esta pergunta foi feita na física SE muitas vezes.

/physics//q/20394/55483

/physics//q/3294/55483

/physics//q/26435/55483

Talvez as respostas sejam esclarecedoras.

zibadawa timmy
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As singularidades de buraco negro e do big bang são parecidas com o espaço. Embora se você insistir em aplicar conceitos newtonianos aqui, o teorema da casca de Newton significa que tudo pode entrar em colapso em torno de cada ponto, que é moralmente semelhante ao big bang ao contrário. É claro que não há problema com um big bang "newtonianizado" porque eles nunca formam buracos negros, então não tenho certeza se isso aborda a questão, mas talvez isso possa ser desenvolvido mais.
Stan Liou #
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t=0
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@yadda se você considerar o Sol isolado, ou geralmente o campo gravitacional de qualquer corpo isolado e esférico simétrico, ele será descrito pelo espaço-tempo de Schwarzschild. Se você, de alguma forma, encolher, então obviamente você terá um buraco negro de Schwarzschild. Portanto, o que você aprendeu é verdade, mas é altamente específico para um contexto específico, e seu erro é generalizar a partir de propriedades incorretas desse contexto.
Stan Liou #
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@yadda Adicionei alguns links para a física SE, onde essa pergunta foi feita e respondida várias vezes. Em resumo, existem duas possibilidades: ou ele funciona como você deseja, porque as coisas são boas o suficiente para isso, ou não, porque não é. No início da cosmologia, estamos no último caso, e nenhum "tempo específico" jamais mudará essa dicotomia. Tempo de antecedência suficiente e os buracos negros se formarão da maneira que você espera, nas formas de pequena escala com as quais estamos acostumados. Antes disso e as condições não estão corretas. É como esperar cubos de gelo no centro do sol.
zibadawa timmy
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@OlegMihailik Isso é falso. Existem muito mais requisitos do que simplesmente "massa suficiente dentro de um raio". Esse é exatamente o argumento para a formação de um buraco negro de Schwarzchild. É praticamente correto no universo como é hoje, mas não é aplicável logo após o big bang. O GR tem muito mais do que apenas massa e raios. Veja também a resposta de Stan.
Zibadawa timmy 15/08/2015
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Um buraco negro é uma região do espaço-tempo separada por um horizonte de eventos, o que significa que nenhum sinal do interior pode se propagar para fora, não importa quanto tempo se espere. Localmente, não há nada de especial no horizonte de eventos; se você cair em um buraco negro, não há nada que você tenha atravessado e nenhum experimento local (com pouco espaço e duração) que lhe dirá que você já está condenado. A observação conceitual mais importante aqui é que um "buraco negro" significa que não é definido pelas condições locais, mas pela estrutura do espaço-tempo em uma escala maior.

Isso significa que pensar em buracos negros essencialmente determinados por uma densidade específica é um erro. Isso se aplica se você observar a densidade de um caso simples de um buraco negro de Schwarzschild: quanto maior o buraco negro, menos denso é (embora em termos de volume sejam aplicadas algumas ressalvas ). Não existe um 'ponto de densidade' mágico para buracos negros; se algo forma ou não um buraco negro é determinado pelas condições globais do espaço-tempo.

EDIT : O argumento de @zibadawa timmy sobre uniformidade é muito relevante. Como todos os pontos no espaço são equivalentes, não há um ponto especial em torno do qual um horizonte absoluto de eventos possa se formar para incluí-lo de maneira independente do observador e, portanto, nenhum buraco negro. Essa é a diferença mais importante na qual o espaço-tempo da estrutura em larga escala nas soluções do Big Bang é muito diferente dos cenários de colapso estelar.

1) Se toda a matéria e energia estavam concentradas em um único ponto no big bang, por que não era um buraco negro ou por que não o formava?

Matéria e energia não eram necessárias concentradas em um único ponto. Existem apenas cosmologias do Big Bang, para as quais essa analogia é viável, são aquelas que envolvem um universo fechado, que definitivamente não é todas elas. Mas isso é um equívoco separado.

Mas, tanto quanto sabemos, a densidade local em cada ponto fez diverge para o infinito no passado finito. Por isso ainda faz sentido perguntar por que não fez que causa a formação de um buraco negro. Mas a resposta é simples: não foi porque não há razão para isso, pois a magnitude da densidade local não é relevante.

A questão é por que um buraco negro não se formou com toda a matéria e energia após o big bang?

Não precisamos de um mecanismo especial para evitá-lo, porque não há uma razão geral para que ele se torne um buraco negro.

Eu me qualifico com 'geral' aqui, porque existe um sentido em que uma cosmologia de universo fechado já é como o interior de um buraco negro, e o universo como um todo pode até se lembrar de um Big Crunch , imitando o tipo mais comum de colapso estelar em um buraco negro. O Big Crunch é empiricamente descartado pela descoberta de que a expansão cosmológica está se acelerando.

Assim, novamente, se ele forma ou não (algo como) um buraco negro depende da estrutura em larga escala do espaço-tempo, não importa quão grande ou pequena a densidade local se torne.

Stan Liou
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@yadda Como eu disse (e Stan disse a você em um comentário na minha resposta), o argumento "empacote massa / energia suficiente em um espaço pequeno o suficiente ..." é válido apenas para os buracos negros de Schwarzschild. Isso pressupõe que você tenha uma densidade de massa gravitando em direção a um ponto dentro de um espaço-tempo maior (aproximadamente) plano que esteja (aproximadamente) no estado de vácuo. Isso é extremamente violado em condições de big bang. As singularidades no GR nem todas têm uma única caracterização. Só podemos descrever de forma significativa alguns casos dentre os muitos concebíveis, e cada um é significativamente diferente do anterior.
zibadawa timmy
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@yadda Como eu disse na primeira frase desta resposta, um buraco negro é uma região cercada por um horizonte de eventos. Isso é o que o termo "buraco negro" significa . Se você "não está fazendo isso" e "não se importa com o horizonte de eventos", nem sequer está falando sobre buracos negros. É simples assim.
Stan Liou
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@yadda Um horizonte de eventos tem tudo a ver com isso, porque sua presença ou ausência determina diretamente se o buraco negro se formou ou não, respondendo diretamente à sua pergunta. "Formas de buracos negros" significa "formas de horizonte de eventos", porque essa é a presença do horizonte de eventos é a propriedade que define os buracos negros. Sua insistência de que isso é irrelevante é como pedir para mostrar por que alguém é solteiro, embora não possa se referir ao status de casamento de nenhuma maneira. É uma condição completamente ridícula, porque faz parte do significado essencial dos termos que estamos discutindo.
Stan Liou
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@yadda 1) nenhum determina fisicamente o outro; eles literalmente significam a mesma coisa, cf. primeira página da primeira frase da Wikipedia , ou explicação subsequente ou elaborações subsequentes, como "característica definidora de um buraco negro é a aparência de um horizonte de eventos" 2) ok.
Stan Liou
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O que os cientistas dizem é que a massa não existia na primeira vez em que era energia pura e a inflação ocorreu em velocidades muito altas (mais de 50 vezes a velocidade da luz), mesmo quando partículas e massa apareceram (menos de 1 bilhão) energia foi convertida em massa, matéria e anti-matéria a seguir: E = mc ^ 2) houve uma velocidade de expansão muito alta, de modo que o hidrogênio e o hélio se formaram nas taxas (75% H, 25% He e muito pouca quantidade de Li ), mas nenhum elemento mais pesado diz que os cientistas, as densidades diminuíram rápida e uniformemente (em termos de minutos devido às velocidades de expansão), por outro lado, um buraco negro exige densidades de massa muito altas para se formar.

Por isso, as condições iniciais foram muito diferentes de uma grande estrela / supernova e levaram a resultados diferentes.

AMA1123
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Eu não acho que os cientistas diriam isso. Eles dizem isso .
peterh diz restabelecer Monica
Pelo menos, isso é o que eu entendi do GUT
AMA1123 19/0218
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Um buraco negro criado por, digamos, o colapso de uma estrela tem um vazio de um lado e a matéria se movendo em uma direção (em direção ao centro) do outro, ficando mais densa à medida que o tempo avança.

O Big Bang representa quase exatamente o oposto - toda a matéria estava cercada por igual quantidade de matéria igualmente densa e toda a matéria se afastava uma da outra. Em um universo tão uniforme, não há nada para causar um colapso singular.

Muito mais tarde, quando a densidade e a taxa de expansão eram mais baixas, existe a possibilidade de movimento aleatório reunir massa suficiente para criar um buraco negro ... no entanto, nesse caso, você provavelmente está falando de bilhões de buracos negros - o que agora seria inúmeros buracos negros muito grandes.

Jack Spite
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Quem disse que não produziu um grande buraco negro?

Podemos muito bem viver dentro de um grande buraco negro. Se você aplicar a massa hipotética de nosso Universo à equação do raio de Schwarzschild , o raio resultante não será muito distante (em ordem de magnitude) do raio observável do Universo visível. De fato, o que chamamos de "Big Bang" pode ser simplesmente a formação de nosso "universo do buraco negro" a partir de uma estrela anterior em outro Universo (assim, a teoria de um "Multiverso"). Isso explica pelo menos por que nosso Universo é finito , mas a luz ou a matéria aparentemente não podem escapar dele.

Isso foi proposto pela primeira vez há pelo menos 45 anos ( aqui ), não sei por que não é mais popular, pois é tão fascinante. (Se você mora em um país pobre - acredito que a ciência deve ser universal, e não apenas para os ricos - sugiro usar o sci-hub , como aqui .)

As respostas a esta pergunta explicam a ideia com mais detalhes.

Rodrigo
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