¿Por qué el cielo es oscuro de noche?

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Artículo con mención honorífica en el II Concurso de Artículos Divulgativos: Explora y Escribe (agosto - septiembre, 2024). AUTOR: Javier Osiel Can Irabien

Al principio, puede parecer una pregunta bastante simple que tiene una explicación tan sencilla como “es porque ya no está el Sol para iluminar”, sin embargo, es una pregunta que, llevada a sus mayores implicaciones, nos revela cual es nuestro lugar en el universo a ojos de la cosmología, cómo se comporta la luz, la edad del universo y… espera, ¿el universo se expande?

El universo es todo el espacio que contiene la materia y energía que existe, siendo nosotros parte de él, junto con el planeta en el que vivimos, la luna que nos orbita, los demás planetas del Sistema Solar, el propio sol, etc. El universo es basto, por lo que aparte de nuestro sistema solar, también existen muchísimas estrellas y planetas regados en los confines de este. Para darnos una idea, tan solo en nuestra galaxia (la Vía Láctea) existen alrededor de… ¡cien mil estrellas!

Vía Láctea fotografiada desde la tierra. Fotografía de Babak Tafreshi, National Geographic Creative.
Vía Láctea fotografiada desde la tierra. Fotografía de Babak Tafreshi, National Geographic Creative.

Por ello, una pregunta llegó a la mente de los astrónomos: ¿cómo sería el universo visto desde otras galaxias? ¿Cuántas estrellas se verían en cielo nocturno? El astrónomo que dio la respuesta a esta cuestión fue Nicolas Copérnico (1473-1543), quien, en base a sus observaciones, se imaginó que el universo, al ser tan basto hasta un punto que parecía ser infinitamente grande y eterno (cosa que analizaremos más adelante), no importa en qué punto se mire ni a que dirección se le observe, siempre será el mismo, siendo llamado el principio copernicano. Esta idea fue tan aceptada por los astrónomos que sirvió como base para el principio cosmológico, el cual marca el comienzo de la cosmología moderna (después de la teoría de la relatividad general de Einstein), pues plantea que el universo es isotrópico y homogéneo, es decir, el mismo en cualquier dirección (isotrópico) y habrá la misma cantidad de estrellas sin importar que parte región del universo tomes (homogéneo). Con esto parece que ya tenemos hecho un modelo del universo en el cuál es estático (no se expande ni se contrae) y eterno (no tiene comienzo y fin, siempre ha existido) por lo que todo se acabó… ¿cierto? Resulta ser que un astrónomo alemán, Heinrich Olbers (1758-1840), se dio cuenta de una importante contradicción en estas ideas, pues si hay la misma cantidad de estrellas en el universo sin importar en qué lugar estés y en qué dirección mires y hay una gran cantidad de estrellas en el universo, ¿el cielo nocturno no debería verse tan luminoso como el día? Solo que ahora, claro, iluminado por las otras estrellas del cosmos. Esta cuestión es nombrada la paradoja de Olbers.

Heinrich Olbers. Cortesía de Biografías y Vidas.
Heinrich Olbers. Cortesía de Biografías y Vidas.

Para poder dar una explicación final a esta paradoja, tuvieron que pasar décadas, en los que teorías de la física moderna, como la relatividad y la cuántica, comenzaron a formarse. La mejor forma de empezar con la solución de este caso es explorando el elemento que une nuestros problemas: la luz; y por supuesto, todo comienza con un ¿qué es la luz?

Siempre ha existido un debate sobre “¿qué es la luz?”. Primero se consideraba que era una partícula por cómo era capaz de colisionar con otros objetos, sin embargo, siglos después, tras muchos experimentos se veía cómo la luz actúa como una onda. En la actualidad, la respuesta más aceptada es brindada por la teoría cuántica, la cual nos dice que la luz se comporta como… ¡las dos! Según qué se mida, la luz puede actuar como una partícula o como una onda, aparte de que en varios experimentos llega a presentar propiedades de ambos estados, por lo que para entender completamente a la luz debe explorarse como las dos al mismo tiempo (propiedad mejor conocida como la dualidad onda-partícula).

De momento, vamos a concentrarnos en las propiedades de la luz como una onda. Al ser una onda, esto significa que puede tener longitud de onda y frecuencia (imagínalo como si fuera una cuerda la cual subes y bajas; éste comienza a hacer unas curvas, las cuales son ondas), por lo que, si cambias la longitud de la onda o la frecuencia de la misma, cambias por completo su apariencia. La luz es conocido en el electromagnetismo como una onda electromagnética, es decir, es producida por cargas eléctricas para contactar unas con otras, esto significa que, al todos estar compuestos de cargas (electrones y protones), entonces… ¡todos deberíamos emitir luz! Pero claro, ¿cómo es que no podemos verla? Esto es debido a que emitimos luz a una frecuencia tan baja que está fuera de nuestro campo visible. Con esto, se puede ver que la luz debe tener un espectro en el que se compile todas sus posibles manifestaciones, la cual es conocida como el espectro electromagnético de la luz.

Espectro electromagnético de la luz. Cortesía de Astronoo.
Espectro electromagnético de la luz. Cortesía de Astronoo.

Esto significa que las ondas de microondas producidas por tu microondas para calentar tu comida, las ondas de radio producidas por una antena para llegar a tu radio, los rayos X para hacer estudios y la luz que te permite ver a tus personas favoritas, ¡todo eso es lo mismo, pero a diferentes frecuencias!

Perfecto, entonces eso significa que la luz producida por las estrellas que nos rodean sí nos llega, solo que a frecuencias fuera de nuestro espectro visible, pero ¿porqué estrellas tan brillantes que emiten tanta energía como luz visible, nos termina llegando como luz débil en forma de ondas de radio? Para entender esto, es necesario introducir un efecto muy popular, el efecto Doppler. El efecto Doppler se puede resumir en que si un objeto emite sonido (o luz) y se aleja de ti, te llegará a menor frecuencia (menor energía, o también llamado corrimiento al rojo), pero si están en el caso contrario y se acerca a ti, te llegará a mayor frecuencia (mayor energía, o también llamado corrimiento al azul). Esta idea se puede resumir muy bien en la siguiente imagen:

Cortesía de Aleš Tošovský.
Cortesía de Aleš Tošovský.

¡Finalmente tenemos una idea del porqué nos llega a luz a diferentes frecuencias! Y también plantea otra pregunta, pues, si este efecto se percibe en todas las direcciones, eso significa que todo se aleja de nosotros, por lo que, ¿acaso el universo se mueve o se expande? Siendo un tema que la teoría de la relatividad general es capaz de responder. La relatividad explora a nuestro espacio, en el que vive todo lo que conocemos e incluidos tú, como un espacio de cuatro dimensiones (3 especiales y una temporal), el cual marca límites como que ningún objeto con masa es capaz de viajar la velocidad de la luz y, por lo mismo, la luz es la velocidad máxima en el universo y plantea la gravedad como una deformación de la “tela” del espacio-tiempo debido a la presencia de masa (o energía, pues la energía y masa son lo mismo en la teoría de la relatividad general), lo que también estipula que la gravedad no es una fuerza, si no como una consecuencia de la geometría del espacio-tiempo.

Curvatura del espacio-tiempo. Cortesía de vchalup2 en depositphotos.
Curvatura del espacio-tiempo. Cortesía de vchalup2 en depositphotos.

¡Lo importante de esto es que las ecuaciones que rigen la geometría del espacio-tiempo (las ecuaciones de Campo de Einstein) permiten que el universo se expanda! Esto fue validado por el astrónomo Edwin Hubble (1889-1953), con su ley de Hubble, pues se dio cuenta como los cálculos de la luz emitida por las estrellas no concordaban con la luz que recibía el planeta, siendo que mientras más lejos están las estrellas, más rápido se alejan de nosotros, por lo que, la luz recibida sufrió un corrimiento al rojo debido al efecto Doppler. Esto finalmente nos brinda la respuesta a la paradoja de Olbers: el cielo nocturno es oscuro en el espectro visible debido a que la luz emitida por las estrellas a nuestro alrededor recibe un corrimiento al rojo debido a la expansión del universo. Esta respuesta resuelve una pregunta, pero genera muchas más, pues implica que el universo debió expandirse en un punto temprano del espacio-tiempo, lo que significa que el universo tampoco es eterno, ¡tiene un comienzo!, lo que deja la posibilidad de que también tenga un fin, junto a la idea de que el universo puede no solo expandirse a velocidad constante, ¡sino que también puede acelerar! (y lo hace, al punto que hay puntos del espacio-tiempo que van más rápido que la luz).

Para concluir, hacer preguntas, por más tontas que pueden parecer, siempre es importante, pues el mayor valor de las mismas no se encuentra solo en ser respondidas, sino en que otras preguntas interesantes puede formar y que grandes implicaciones puede dar para el futuro, un futuro con cada día más respuestas y no tantas cuestiones.

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