Et gravitationelt kollaps må medføre en eksplosion

Kvantefeltteorien har indtil videre ikke kunnet give en fysisk forklaring på, om der er en sammenhæng imellem et Big Crunch og et Big Bang. Så hvis vi ønsker at vide hvad der hænder, må vi søge en for-klaring ved at se på vores eget Big Bang.

Betragter vi et lukket univers, må massen og energien på grund af gravitationskræfterne samles i sta-dig større sorte huller, som til sidst vil ende som et stort sort hul. Da rummet er euklidisk, vil stoffet ikke kunne undslippe det euklidiske rum, og da massen og energien er konstant og kvantiseret, vil sammenfaldet formodentlig først standse, når den samlede stofmængde i universet har opnået Plancktætheden, hvilket må gælde for samtlige universer i kosmos.

Der må derfor forekomme et Big Bang nu og da, da kosmos ellers ville være blevet reduceret til sorte huller og golde områder for uendelig længe siden. Da sorte huller desuden er de eneste objekter vi kender, som er i stand til at levere den fornødne energi til et Big Bang, er det meget sandsynligt, at et Big Bang stammer fra eksplosionen af et sort hul.

Teoretisk er der ikke noget i vejen for, at de større og større sorte huller kan smelte sammen, indtil de når en mulig øvre grænse for den samlede masse. Den første numeriske løsning af en direkte kollision imellem to lige store sorte huller, med samme masse, blev beregnet af Smarr i 1979, ^[1] - medens Matzner og andre i 1995 bestemte detaljerne for sammensmeltningen. ^[2]

Beregningen af den direkte kollision af to lige store sorte huller, viser, at når de sorte huller falder ind imod hinanden, vil de til at begynde med have hver sin begivenhedshorisont, men efter en vis tid vil de sorte huller smelte sammen og danne et stort sort hul. Når de sorte huller er smeltet sammen, vil de opfører de sig som et stort forvansket sort hul. I starten vil det sorte hul gå i svingninger, men efter-hånden som svingningerne dør ud, falder hullet til ro som et enkelt kugleformet symmetrisk sort hul. ^[3]

Det kan også beregnes, at sorte hullers masse kan adderes, hvilket indirekte kan ses af de obser-vationer, der er foretaget af sorte huller med størrelser på millioner af solmasser. ^[4]

Big Bang finder formodentlig sted, når massetætheden af det sorte hul har nået en bestemt tærskel-værdi, som formodentlig er lig med Plancktætheden, som kan skrives som

   ^[5]

hvor c er lysets hastighed, G er gravitationskonstanten og  er den reducerede Plancks konstant.

Med en radius på blot 6,0 x 10⁻¹⁶ m vil massen af et sort hul, med en massetæthed lig Plancktæthe-den, være lig med massen af vores synlige Univers, Ω_b = 4,6 x10⁵¹ kg, som kan bestemmes ud fra Big Bang teorien og andre observationer. ^[6]

Men, da det tager meget lang tid at ophobe så meget masse på et sted, vil der formodentlig gå hundredvis af milliarder af år, inden det sidste gram stof tilføres det sorte hul, som får det sorte hul til at eksplodere i et Big Bang. Da områder indenfor det sorte hul vil kunne kommunikerer med hinanden ved hjælp af trykbølger, så enhver tæthedsvariation vil blive udjævnet, må det sorte hul formodes at være homogent og isotropisk, hvilket vil medvirke til, at også den efterfølgende stråling fra Big Bang får disse egenskaber. Når det sorte hul har opnået den givne tærskelværdi, må det gælde, at det sorte hul udløser en eksplosion, hvor hele massen omsættes til energi efter formlen, , og betragter vi vores eget Big Bang, vil det svarer til eksplosionen af over en milliard-milliard supernovaer.

Da kvantefeltteorien fastlægger den teoretisk laveste grænse for stoftætheden til Plancktætheden, kan vi konstatere, at gravitationen i et sorte hul aldrig vil kunne frembringe en singularitet, og den lokale tid vil derfor aldrig stå stille. Dette bekræfter, som vi tidligere har vist, at tiden er kontinuert. Da rum-met desuden er euklidisk, og dermed sammenhængende, medfører det, at det nye Big Bang finder sted i det eksisterende univers. Hvis Plancktætheden er den tærskelværdi det sorte hul skal indtage for at resultere i et Big Bang, må Plancktætheden også være identisk med tætheden af et Big Bang i eksplosionsøjeblikket. ^[5]

Når et sort hul eksploderer i et Big Bang, betyder det nødvendigvis ikke, at det er alt stoffet i universet, der er samlet i det sorte hul. Afhængig af universets størrelse kan der være en større eller mindre mængde stof og energi tilovers, og der vil derfor findes stof i universet, som bliver dækket af energien fra det ekspanderende Big Bang. Det kan lade sig gøre, fordi det lokale sammenfald i et Big Crunch og den efterfølgende eksplosion i et Big Bang, kun påvirker den del af universet hvor begivenheden finder sted. Når et Big Bang finder sted, vil det, på grund af den ufattelig store chokbølge, sprede det omkringliggende stof så meget, at stof og energitætheden i centret for et Big Bang, med tiden bliver lig med stoftætheden for resten af universet. Derfor vil fortætningspunktet for det næste Big Crunch sandsynligvis være forskelligt fra udgangspunktet for det sidste Big Bang.

Inden et Big Bang finder sted, må en del af universet have gennemløbet en stor del af sin livscyklus. Mange af stjernerne i det aktuelle område vil have opbrugt deres energi, og galakserne vil for længst have udtømt deres gasbeholdninger til skabelsen af nye stjerner. Desuden vil en stor del af stjernerne og galakserne være blevet opslugt af sorte huller. De områder af universet hvor stofkoncentrationen er størst, vil tiltrække de døende galakser og sorte huller, hvorved stofkoncentrationen øges yderligere, og efterhånden som strålingen ophører, vil universet i et sådant område blive stille, mørkt og koldt.

Hvis vi skal sammenligne et Big Bang med noget vi kender, er det nærmeste vi kommer det nok en Ia supernovaeksplosion. Dels fordi en Ia supernovaeksplosion finder sted, når den har nået en bestemt massetæthed og størrelse, og dels fordi en stor del af dens energi bliver spredt til alle sider i det eksisterende univers. Men, i modsætning til en supernovaeksplosion, genererer et Big Bang kun strålingsenergi.

Den masse der befinder sig udenfor et Big Bang, må optræde som mørk energi

Vi kan dele vores eget Univers op i to områder. Det område som ligger indenfor radius af vores Big Bang, svarer nogenlunde til det område vi kan se i dag, hvilket ikke er så mærkeligt, da det netop er det område af Universet, der er blevet tilført ny energi i form af brint og helium, og som derfor lyser op.

Massen af mørkt stof og baryoner indenfor radius af vores Big Bang, udgør cirka tre tiendedele af den samlede stofmængde (Ω_m ~ 0.3). ^[5] Det område som ligger udenfor vores Big Bang, men som hører til vores lukkede Univers, kender vi derimod ikke størrelsen af. Men, det er det område, der er årsagen til indførelsen af den kosmologiske konstant (Ω_Λ ~ 0,7), og som betegnes som mørk energi. ^[5]

Tæthedsparameteren er forholdet mellem den totale tæthed ε(t) og den kritiske tæthed ε_C, hvor den kritiske tæthed er den tæthed for hvilken Big Bang er fuldstændigt fladt. Tæthedsparameteren er sammensat af tæthedsparameteren for stråling Ω_r, tæthedsparameteren for masse Ω_m, og tætheds-parameteren for såkaldt mørk energi Ω_Λ. Da tæthedsparameteren for stråling udgør langt under en procent, vil vi tillade os at se bort fra den. I dag udgør tæthedsparameteren for masse Ω_m omkring 28%, hvoraf almindelig baryonisk stof kun udgør 4,6%, medens mørkt stof udgør 23%. Resten af Universet består i dag af 72% såkaldt mørk energi, Ω_Λ.

Big Bang er i dag meget tæt på at have en flad geometri (Ω = Ω_r + Ω_m + Ω_Λ = 1,02 ± 0,02), hvilket ses af, at tæthedsparameteren Ω(t) er meget tæt på 1. ^[5], ^[24] Grunden til denne flade geometri er netop, at Big Bang finder sted i et eksisterende univers med en omgivende tiltrækkende masse, som altid vil fastlægge den kosmologiske konstant så tæthedsparameteren bliver lig med 1.

Hvis Big Bang skal spredes i vores Univers, må det synlige område som svarer til Big Bang ikke være lukket, så selv ikke lys kan undslippe. Det område vi kan se, kan vi repræsentere ved en kugle med radius på 13,7 x 10⁹ lysår med en synlig masse på cirka M_b = 4,6 x10⁵¹ kg, som ifølge observationerne svarer til 4,6% af den samlede masse. ^[6] Baryonerne og det mørke stof (Ω_m), som ligger indenfor radius af Big Bang og som tilsammen udgør ca. 28% af den samlede masse, må da være lig med M_m = 2,8 x 10⁵² kg. ^[5] 

Hvis undvigelseshastigheden fra denne masse er større end lysets hastighed, c = 3 x 10⁸ m/s, er det synlige område lukket, ellers er det fladt eller åbent. Vi sætter gravitationskonstanten G =  6,67 ×10⁻¹¹ m³kg⁻¹s⁻² og radius af Big Bang lig med r, hvor

r = (13,7 x 10⁹ lysår) x (lysets vandring på et år, 9,461 x 10¹⁵ m/lysår).