No hay duda, para cualquiera que lo haya experimentado, de que el cielo nocturno es de hecho oscuro. Pero… explicar este simple hecho, si se piensa en ello profundamente, plantea un montón de preguntas que deben ser abordadas.
Usuario de Wikimedia Commons ForestWander
Desde nuestra perspectiva aquí en el Sistema Solar, tiene un sentido absolutamente intuitivo por qué vemos lo que vemos de día frente a la noche. Durante el día, la luz solar inunda nuestra atmósfera en todas las direcciones, con luz solar directa y reflejada que llega a nosotros desde cualquier lugar que podamos ver. Por la noche, la luz del sol no inunda la atmósfera, y por lo tanto es oscuro en todas partes en el cielo que no hay un punto de luz en, como una estrella, planeta, o la Luna.
Pero usted podría comenzar a preguntarse un poco más profundamente que eso. Si el Universo es infinito, ¿nuestra línea de visión no debería toparse finalmente con una estrella sin importar la dirección en la que miremos? Dado que hay trillones de galaxias ahí fuera, y que los telescopios son capaces de ver las más débiles que nuestros ojos no pueden, ¿por qué la luz de todas ellas combinadas no ilumina cada punto del cielo? No es una pregunta fácil de responder, pero la ciencia está a la altura del reto.
La Vía Láctea cerca del Gran Cañón, casualmente el primer lugar donde yo mismo vi la Vía Láctea,… lo que no ocurrió hasta mis 20 años, ya que crecí en zonas urbanas. El plano de la Vía Láctea aparece oscuro, silueteado contra las estrellas de fondo situadas en el plano de nuestra galaxia.
Bureau of Land Management, bajo licencia cc-by-2.0
Este es un enigma que ha preocupado a los científicos durante siglos. Si lo piensas profundamente, puede que ni siquiera tenga sentido para ti. Sí, es cierto que nuestra atmósfera aquí en la Tierra es en gran medida transparente a la luz visible, que es lo que nos permite ver en el vasto abismo del espacio profundo por la noche. Nuestra ubicación en la galaxia significa que sólo el plano galáctico está oscurecido por el polvo y el gas de primer plano que bloquea la luz de la región central de la Vía Láctea.
Pero fuera de eso, usted podría esperar ver la luz en todas las direcciones y en todos los lugares que fuera capaz de mirar. Después de todo, si el Universo es realmente infinito, entonces el vacío del espacio profundo es eterno. En cualquier dirección que puedas imaginar, eventualmente tu línea de visión se topará con un punto brillante de luz.
La composición completa UV-visible-IR del XDF; la mayor imagen jamás publicada del lejano… Universo. En una región de sólo 1/32.000.000 de cielo, hemos encontrado 5.500 galaxias identificables, todo gracias al telescopio espacial Hubble. Sin embargo, incluso en esta visión increíblemente profunda, que revela un Universo con cientos de miles de millones (o más) de galaxias en su interior, el espacio sigue pareciendo oscuro.
NASA, ESA, H. Teplitz y M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), y Z. Levay (STScI)
Si esto fuera cierto, entonces el cielo nocturno no estaría oscuro en absoluto, sino que estaría iluminado por cada estrella cuya trayectoria de luz hiciera el largo viaje hasta la Tierra.
Sin embargo, incluso cuando miramos a las más profundas profundidades de lo que parece ser el espacio vacío, donde no hay estrellas ni galaxias que puedan ser vistas por los ojos humanos o incluso por los telescopios convencionales, nuestros observatorios más potentes revelan mucho de lo que hay allí, pero siguen siendo sólo unos pocos puntos de luz contra el fondo negro del espacio vacío.
Sí, el Universo está lleno de estrellas y galaxias. Sí, están a enormes distancias: millones, miles de millones o incluso decenas de miles de millones de años luz. La luz de las estrellas viaja a través del Universo y llega a nuestros mejores equipos de observación, revelando un Universo rico y de enorme extensión. Pero enorme, por muy grande que sea, está muy, muy lejos de infinito.
Es posible que el Universo sea realmente infinito, con un número infinito de estrellas y… galaxias en todas las direcciones. Pero si este fuera el caso, uno esperaría que eventualmente su línea de visión se cruzara con un objeto luminoso. Si este fuera el caso, la oscuridad sería imposible.
Andrew Z. Colvin / Wikimedia Commons
El jurado, científicamente, aún no sabe si el Universo es finito o infinito; simplemente no lo sabemos. Lo que sí sabemos, sin embargo, es que la parte del Universo que es observable para nosotros debe ser finita. A pesar de que no sabíamos prácticamente nada sobre la estructura a gran escala del Universo hasta la segunda mitad del siglo XX, seguíamos sabiendo que un Universo observable infinitamente grande era sencillamente una imposibilidad.
En el siglo XIX, Heinrich Olbers tomó nota de una paradoja matemática. Si tuviéramos un Universo infinito con una densidad constante de estrellas y/o galaxias, entonces acabaríamos viendo una cantidad infinita de luz desde cualquier dirección a la que miráramos. Verías todas las estrellas que están cerca, y luego en los espacios entre las estrellas, verías las estrellas más lejanas. En los espacios entre esas estrellas, verías aún más estrellas que estaban a una mayor distancia. Independientemente de la distancia a la que estuvieran -millones, billones, trillones, cuatrillones de años luz, etc.-, finalmente, dondequiera que miraras, te encontrarías con una estrella.
Las estrellas se forman en una amplia variedad de tamaños, colores y masas, incluyendo muchas brillantes y azules que son… decenas o incluso cientos de veces más masivas que el Sol. Esto se demuestra aquí en el cúmulo estelar abierto NGC 3766, en la constelación del Centauro. Si el Universo fuera infinito, incluso un cúmulo como éste no mostraría «huecos» entre las estrellas, ya que una estrella más lejana acabaría rellenando esos huecos.
ESO
Piénsalo matemáticamente, si quieres. Si la densidad numérica de estrellas es constante en todo el espacio, entonces el número total de estrellas que encontrarás es igual a la densidad estelar multiplicada por el volumen del Universo. Cuanto más lejos esté una estrella, más débil aparecerá: su brillo disminuye con la distancia inversa al cuadrado (~1/r2).
Pero el número total de estrellas que puedes ver a una distancia determinada está relacionado con la superficie de una esfera, que aumenta con la distancia al cuadrado. (La fórmula de la superficie de una esfera es 4πr2.) Multiplica el número de estrellas por el brillo de cada una de ellas y obtendrás una constante. El brillo a cierta distancia es un valor determinado: llamémoslo B. A dos veces de distancia, ese brillo es también B. ¿Tres veces? Todavía B. ¿Cuatro? B de nuevo.
Una ilustración de la Paradoja de Olbers, y de cómo dado un Universo uniformemente denso, te encontrarías con una… cantidad infinita de luz estelar en cualquier dirección.
Usuario de Wikimedia Commons Htkym
Ahora suma esa serie: B + B + B + B + ….. y así sucesivamente. ¿Puedes ver a dónde va esto? La respuesta, por desgracia, es hacia el infinito. A menos que haya algún corte en esa serie, obtendrás un valor infinito para el brillo del cielo nocturno en todas las direcciones.
En el siglo XIX, Olbers utilizó esta línea de razonamiento para concluir que el Universo observable no podía ser infinito, pero no podía estar seguro. Después de todo, había otras preocupaciones astronómicas. Una de las objeciones más comunes era que este análisis ingenuo no tenía en cuenta todo el polvo que bloqueaba la luz y que estaba claramente presente, y que se podía ver con sólo mirar el plano de la Vía Láctea. Incluso en la actualidad, muchas de nuestras vistas astronómicas más famosas están llenas de polvo que bloquea la luz.
Las nubes moleculares oscuras y polvorientas, como esta que se encuentra dentro de nuestra Vía Láctea, colapsarán con el tiempo y… darán lugar a nuevas estrellas, con las regiones más densas dentro formando las estrellas más masivas. Sin embargo, aunque haya una gran cantidad de estrellas detrás, la luz estelar no puede atravesar el polvo; es absorbida.
ESO
En un Universo finito, ese polvo puede competir con la luz estelar, ya que la luz visible que incide en el polvo es absorbida y re-radiada a energías más bajas. Pero si el Universo fuera realmente infinito, el problema de la Paradoja de Olbers aparecería para cada grano de polvo: cada grano tendría que absorber una cantidad infinita de luz estelar, ¡hasta que también irradiara a la misma temperatura de toda la luz que absorbiera!
En otras palabras, algo estaba mal. Nuestro Universo no podía ser estático, infinito, y estar lleno de estrellas que brillaban eternamente. Si este fuera el caso, el cielo nocturno sería para siempre y eternamente brillante, en todos los lugares y en todas las direcciones. Claramente, algo más está en el trabajo aquí.
El Universo observable podría ser 46 mil millones de años luz en todas las direcciones desde nuestro punto de vista,… pero ciertamente hay más, Universo inobservable, tal vez incluso una cantidad infinita, al igual que el nuestro más allá de eso. El Universo puede ser infinito, pero sólo podemos ver la luz que ha viajado durante 13.800 millones de años: la cantidad de tiempo desde el Big Bang.
Frédéric MICHEL y Andrew Z. Colvin, anotado por E. Siegel
El hecho que nos salva, que Olbers no tenía forma de conocer en su época, no es que el Universo no tenga una extensión infinita (aún podría serlo), sino que no se remonta, en su forma actual, a una cantidad de tiempo infinita. El Universo que hoy habitamos tuvo un comienzo: un día sin un ayer. Ese comienzo se conoce como el Big Bang, que pone una línea de salida a toda la materia, la radiación, la energía y la luz que posiblemente exista en el Universo observable.
El Universo no ha existido siempre, y por tanto sólo podemos observar estrellas y galaxias que están a una distancia concreta y finita. Por lo tanto, sólo podemos recibir una cantidad finita de luz, calor y energía de ellas, y no puede haber una cantidad arbitraria de luz en nuestro cielo nocturno.
Concepción a escala logarítmica del universo observable. Las galaxias dan paso a la estructura a gran escala… y al plasma caliente y denso del Big Bang en las afueras. Tratar de averiguar cuántas galaxias existen dentro del Universo visible es una de las grandes búsquedas cósmicas de nuestro tiempo.
El usuario de Wikipedia Pablo Carlos Budassi
Pero esto trae a colación otra pieza del rompecabezas. Si el Universo estaba caliente y denso y lleno de materia y radiación en algún momento temprano, como afirma el Big Bang, entonces esa radiación de los primeros tiempos debería llegar a nuestros ojos. Dondequiera que miremos, en todas las direcciones, no debería haber ningún escape a esa radiación.
De hecho, basándonos en las observaciones actuales, podemos calcular cuántos fotones sobrantes del Big Bang están llenando el Universo hoy en día, y la respuesta es 411 de ellos por cada centímetro cúbico de espacio. Si te preguntas por qué no lo detectamos, la respuesta es que sí lo hacemos, y lo hacemos todo el tiempo. Si se llevara un televisor muy antiguo, uno con antena de oreja de conejo, a la profundidad del espacio intergaláctico, lejos de cualquier fuente de radio estelar o terrestre, se podría sintonizar el canal 3. Todavía se vería alrededor del 1% de la «nieve» que se ve en la Tierra; esa es la radiación del Big Bang.
Este televisor de estilo vintage tiene la antena de la vieja escuela encima, utilizada para captar… señales de televisión. Aquí en la Tierra, una pequeña fracción de esa señal de «nieve», alrededor del 1%, se debe a la radiación del Big Bang.
Getty
El hecho es que sí recibimos esta luz del Big Bang, y que se encuentra por todo el cielo de forma inevitable. La única razón por la que no se ve a simple vista es porque el Universo se ha expandido en el transcurso de la historia cósmica, y por eso esta luz antes visible se ha desplazado a longitudes de onda tan largas que tus ojos no pueden verlas, tu piel no puede sentirlas y tu cuerpo no puede detectarlas.
Pero tus antenas de microondas y de radio sí pueden captarlas. De hecho, así es como se descubrió por primera vez esta radiación, y como se confirmó por primera vez el Big Bang: con una antena de radio gigante que captaba esta señal, sin importar cuándo o dónde estuvieran mirando los científicos que la operaban. Si nuestros ojos se hubieran adaptado para ver la luz de microondas o de radio, veríamos, de hecho, un cielo nocturno uniformemente brillante en todas las direcciones, sin puntos oscuros en ninguna parte.
Según las observaciones originales de Penzias y Wilson, el plano galáctico emitía algunas… fuentes astrofísicas de radiación (centro), pero por encima y por debajo, todo lo que quedaba era un fondo casi perfecto y uniforme de radiación. Ahora se ha medido la temperatura y el espectro de esta radiación, y la concordancia con las predicciones del Big Bang es extraordinaria. Si pudiéramos ver la luz de microondas con nuestros ojos, todo el cielo nocturno se parecería al óvalo verde que se muestra.
NASA / WMAP Science Team
Se necesitan dos hechos, juntos, para explicar por qué el cielo nocturno es oscuro. El primero es que el Universo sólo ha existido durante un tiempo finito, lo que limita la extensión y la cantidad de la radiación que es actualmente observable para nosotros. La segunda es que sólo podemos ver la luz en una parte limitada del espectro electromagnético: la parte óptica.
Si pudiéramos, en cambio, ver el cielo en luz de microondas, el cielo aparecería brillante en todas las direcciones en todo momento. Es un poco irónico, cuando se piensa en ello, que sólo nuestras propias limitaciones humanas hicieron que el cielo nocturno pareciera un lugar interesante para explorar. Hoy en día, hemos construido satélites diseñados para medir esta radiación de forma exquisita, y nos han enseñado mucho más sobre el origen y las propiedades de nuestro Universo de lo que jamás aprenderíamos utilizando únicamente nuestros limitados sentidos. El cielo nocturno puede parecernos oscuro, pero la luz que siempre está ahí nos ha enseñado la resolución definitiva de esta paradoja cósmica.