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

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.

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).

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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.

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.

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.

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.

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.