Poderia nosso Universo ter surgido de um buraco negro?

Se você voltar no tempo o tanto quanto você puder, você vai encontrar um universo que era mais quente, mais denso e mais enérgico. Se você fosse extrapolasse a um estado arbitrariamente quente e denso, as leis da física que descrevem, espaço tempo, matéria e energia se quebram; você vai chegar a uma singularidade. No entanto, uma singularidade também é exatamente o que você encontra se estivesse voando dentro de um buraco negro, para o destino final, onde toda a matéria está colapsada e toda a energia acaba. Estes são os únicos exemplos na história de todo o Universo - do passado, presente e futuro - onde uma singularidade ocorre. Talvez os dois estejam ligados? Não é uma ideia tão louca que possa se pensar.

A Relatividade Geral e a mecânica quântica, juntas, fazem um excelente trabalho para descrever a física do Universo fora de um buraco negro, bem como de uma nuvem de gás que está sendo dilacerada fora do horizonte de eventos. Mas para entender a física perto de uma singularidade, uma teoria sucessora, como a gravidade quântica, é necessária. Crédito da imagem: ESO / MPE / Marc Schartmann.

Normalmente, o Universo é governado por dois conjuntos de regras: mecânica quântica, para partículas e suas interações eletromagnéticas e nucleares, e Relatividade Geral, para massas, a gravidade e a curvatura do espaço-tempo. A mecânica quântica nos diz que todas as propriedades e partículas (que se comportam como ondas) exibem algum nível de incerteza intrínseca entre a posição/momento e energia/tempo. Em particular, cada partícula massiva tem um comprimento de onda associado a ela: um comprimento de onda de Compton, o que explica a dispersão nas colisões. Se você tivesse que calcular comprimento de onda de um fóton e convertê-lo em massa, através da equação  de Einstein  E = mc², você terá o comprimento de onda Compton de uma partícula massiva.

Quanto maior for a massa de um buraco negro, maior a área do seu horizonte de eventos é. O quasar ilustrado aqui tem um buraco negro de 2 bilhões de massas solares. Poderia um buraco negro 4D de ~ 10 ^ 25 massas solares ter sido a fonte do nosso Universo? Crédito da imagem: ESO / M. Kornmesser.

Da mesma forma, você pode tomar a massa de um buraco negro e calcular quão grande seu horizonte de eventos é: a região onde o espaço é tão curvo que nada, nem mesmo a luz, pode escapar. Se você tivesse que tomar uma partícula fundamental e permitir que ela tenha mais e mais massa, você muito rapidamente chegaria a um ponto em que o raio de Schwarzschild da partícula - uma medida do seu horizonte de eventos - for maior do que o comprimento de onda Compton: cerca de 21 µg, ou microgramas. O fato de que os buracos negros em nosso universo são muito mais maciços do que isso não é um problema. Significa simplesmente que as leis da física que conhecemos quebram-se na singularidade que calculamos no centro. Se alguém quiser descrevê-los com precisão, ele vai ter que unificar a teoria quântica com a relatividade geral. Vai gerar então uma teoria quântica da gravidade.

A singularidade é onde a física convencional se quebra, se você está falando sobre o início do universo e do nascimento de espaço e tempo ou o ponto central de um buraco negro. Crédito da imagem: © 2007-2016, do Instituto Max Planck de Física Gravitacional, Potsdam.

Tal como está, no entanto, podemos calcular o que acontece com o espaço-tempo dentro do horizonte de eventos por todo o caminho até (mas não incluindo) a singularidade central. Surpreendentemente, com apenas uma transformação de coordenadas, o espaço dentro de um buraco negro pode ser mapeado, um-a-um, com o espaço do lado de fora de um buraco negro.

http://www.forbes.com/sites/startswithabang/2016/10/20/could-our-universe-have-arisen-from-a-black-hole/#66bb6e6674e0

Ao mapear a distância de coordenada fora do horizonte de eventos, R, com uma inversa de coordenadas dentro do horizonte de eventos, r = 1/R, você encontra um mapeamento exclusivo 1/1 do espaço. Crédito da imagem: Wikimedia Commons usuário Kes47 sob uma licença CCA-sa-3.0.

Mas também podemos calcular o que acontece exatamente  sobre o limite do horizonte de eventos, o que é interessante para explicar a razão por que qualquer observador de fora do buraco negro pode ver todas as informações a partir das partículas que caem no buraco negro codificado no horizonte. Para buracos negros do nosso universo, que se formam em três dimensões espaciais, esta superfície bidimensional codifica o conjunto completo de informações sobre o que caiu. De nossa perspectiva, a singularidade não é "nua", o que significa que estamos impedidos de visualizá-la pela presença do horizonte de eventos. O horizonte de eventos age como uma embalagem protetora, opaca, em torno do buraco negro.

A implosão de um estrela maciça o suficiente para colapsar resulta na formação de um horizonte de eventos que cresce rapidamente no início, seguido de um crescimento mais lento e firme, a medida que a matéria dentro cai e o tempo passa. Crédito da imagem: Wikimedia Commons usuário Cmglee, sob uma licença CCA-sa-4.0.

Como o buraco negro formado em primeiro lugar, a partir da implosão do núcleo de uma estrela em colapso, o horizonte de eventos surge primeiro, em seguida, expande-se rapidamente e continua a crescer na área que mais e mais matéria continua a cair. Se você fosse colocar uma grade de coordenadas neste embrulho bidimensional, você iria achar que ele se originou onde as linhas de grade estavam muito próximos entre si e, em seguida, expandiu-se rapidamente a medida que o buraco negro se formou, e em seguida, expandiu mais e mais lentamente com a  matéria caindo em uma taxa muito mais baixa. Isto corresponde, pelo menos conceitualmente, o que observamos para a taxa de expansão do nosso universo tridimensional.

Um gráfico da taxa aparente de expansão (eixo y) versus a distância (eixo dos x) é consistente com um universo que expandiu mais rapidamente no passado, mas ainda está em expansão hoje. Crédito da imagem: Ned Wright, com base nos dados mais recentes do Betoule et al. (2014), através http://www.astro.ucla.edu/~wright/sne_cosmology.html.

Assim, poderia o nosso Universo não ter se originado a partir de uma verdadeira singularidade, mas sim através de uma embalagem tridimensional de um colapso, crescendo em um buraco negro 4-dimensional? O Perimeter Institute e os pesquisadores da Universidade de Waterloo Niayesh Afshordi, Razieh Pourhasan e Robert Mann propuseram esta ideia por volta de 2014 , e apesar de seus melhores esforços, os cientistas têm sido incapazes de descartar este cenário. Enquanto dimensões superiores podem estar bem fora da nossa experiência, elas poderiam muito bem ser responsáveis por nossas origens cósmicas.

Um disco de acreção, campos magnéticos e jatos de material estão todos fora horizonte de eventos do buraco negro. Mas tudo o que cai na tem sua informação permanentemente impressa na superfície 2D do horizonte de eventos. Crédito da imagem: M. Weiss / CfA.

Poderia nosso Universo ser a realização análoga de um buraco negro de quatro dimensões com um horizonte de eventos tridimensional? É uma possibilidade que é demasiado grande para nós não considerarmos e maravilharmos com isso. E apenas talvez, ela traz a possibilidade de que, se cairmos em um buraco negro, de alguma forma, nós viveremos por eras em um universo inteiramente novo.

[Forbes]