La entrada de hoy trata de responder a la pregunta de Toms acerca de la paradoja de Olbers. Cuando me puse a escribir la respuesta, por cierto, no me di cuenta de que Antares, en su serie astronómica en El Cedazo, estaba escribiendo un artículo en el que aparecía la misma paradoja, y que puedes leer aquí.
El asunto que nos ocupa es una paradoja física que ya no tiene la relevancia de antaño, pues hemos desmontado empíricamente las suposiciones de las que parte, pero sigue teniendo interés por varias razones: por una parte, porque hace pensar, lo cual siempre es sano. Por otra, porque pararse a pensar en ella tal y como lo hicieron quienes la plantearon por primera vez es fascinante, ya que pone de manifiesto la inteligencia y la audacia de aquellos científicos, y además lleva a discutir sobre cosas divertidísimas. Disculpa que no exprese la paradoja ya mismo, pero me gustaría intentar llegar a ella a través de razonamientos similares a los que la sacaron a la luz por primera vez en la Inglaterra del siglo XVI. Como siempre, ¡paciencia, que el placer está en el caminar, no en el destino!
El nombre de Olbers, por cierto, tal vez te suene: se trata del astrónomo alemán Heinrich Wilhelm Olbers, de quien hemos hablado anteriormente en El Sistema Solar, ya que fue el descubridor, entre otras cosas, de los asteroides Palas y Vesta en su labor como uno de los veinticuatro miembros de la Himmelspolizei, la “Policía del Cielo” cuyo objetivo era precisamente el descubrimiento del “planeta escondido” entre Marte y Júpiter. De modo que en El Tamiz le tenemos un especial cariño… pero no vamos a hablar apenas de él hoy, porque no lo merece en este caso: la paradoja no debería, en mi opinión, llevar su nombre, porque él fue simplemente uno más en postularla, en 1823 –unos 250 años después de su enunciado original–.
No, el primero en hacerlo es uno de los primeros científicos heliocentristas, el inglés Sir Thomas Digges. Este astrónomo partió de premisas bastante razonables para la época, pensó de manera impecable y audaz y, finalmente, llegó a conclusiones que me parecen apabullantes dados los medios tecnológicos y matemáticos de que disponía. Retrocedamos juntos hasta mediados del siglo XVI y pensemos con Digges.
Nicolás Copérnico había publicado su obra revolucionaria, De revolutionibus orbium coelestium (Sobre las revoluciones de las esferas celestes) en 1543, justo antes de morir. Tres años más tarde nacía Thomas Digges en Wooton, en el condado de Kent. Thomas era hijo de Leonard Digges, otro auténtico genio. El padre era matemático y topógrafo, y se lo considera el inventor del teodolito (parece que tal vez incluso diseñó antecesores del telescopio, aunque no está claro hasta dónde llegó). Estaba además muy interesado en los calendarios, la astronomía y el movimiento de los astros, y publicó una obra extraordinaria, A General Prognostication (Un pronóstico general), en 1553 ; se trataba de una especie de calendario perpetuo en el que se predecían las fases de la Luna, estaciones, climatología y cosas así, con una cantidad de datos astronómicos ingentes basados en las predicciones del movimiento de los astros.
Thomas siguió los pasos de su padre, y estuvo muy interesado en astronomía, óptica y metrología. Continuó la labor de Leonard en cuanto a la predicción del movimiento de los astros, ya que lo admiraba profundamente –de hecho, las alabanzas de Thomas a su padre son bastante exageradas en sus obras–. Sin embargo, entre el padre y el hijo había un abismo conceptual, un cambio de paradigma en la concepción del Universo: mientras que el padre, como prácticamente todos los científicos de su generación, era un geocentrista convencido y seguía el modelo del Sistema Solar de Ptolomeo, el hijo –nacido, como vimos antes, tres años después de la publicación del magnum opus de Copérnico– era heliocentrista. ¿Cómo seguir, entonces, la obra del padre tras su muerte en 1559, dadas las concepciones opuestas de ambos acerca del movimiento de los astros?
En 1576, Thomas publicó una nueva edición del calendario perpetuo de su padre y mantuvo el texto original intacto, con todas sus ideas ptolemaicas tal cual estaban… y le añadió varios apéndices, en uno de los cuales explicaba las hipótesis de Copérnico –fue el primer inglés en hacerlo de quien tengo noticia–. Ese apéndice de rimbombante título, A Perfit Description of the Caelestiall Orbes according to the most aunciente doctrine of the Pythagoreans, latelye revived by Copernicus and by Geometricall Demonstrations approved (Una descripción perfecta de las esferas celestes de acuerdo con la más antigua doctrina de los pitagóricos, recientemente revivida por Copérnico, y las demostraciones geométricas que la prueban), es básicamente una traducción de pasajes de la obra de Copérnico. El mérito de Digges en ese aspecto es fundamentalmente la valentía de defender ideas que, aunque posteriormente se harían obvias, no lo eran aún por entonces. ¡Ah, pero Digges fue más allá!
Como probablemente sabes, el interés de Nicolás Copérnico –como el de casi todos los astrónomos de su época– era la estructura del Sistema Solar y la jerarquía dentro de él. En su obra no se plantea qué hay “más allá”, y las estrellas fijas simplemente se encuentran en la esfera celeste más externa, muy lejos de nosotros y punto. Pero Digges se pregunta si realmente toda esa miríada de puntos de luz están a la misma distancia de la Tierra, o unas están más lejos que otras pero todas ellas muy lejanas.
La medición de distancias astronómicas en el siglo XVI se basaba en la técnica de la paralaje, descrita muy acertadamente por Antares en su artículo en El Cedazo acerca de la astronomía en los siglos XVI y XVII: básicamente, en mirar un astro desde dos posiciones diferentes y comparar las imágenes desde una y otra. Utilizando la trigonometría –si se dispone de una referencia fija o a una distancia conocida– es posible medir la distancia al objeto observado. Y Digges hizo precisamente eso, pero no con la Luna, ni con ningún planeta de nuestro Sistema Solar… sino nada más y nada menos que con una supernova.
Esa supernova era una de las ocho que han sido visibles a simple vista a lo largo de la Historia: se la conoce como supernova de Tycho porque, aunque no fue el único en observarla –era casi imposible no hacerlo, tal era su brillo– le dedicó varias obras y la analizó con mucho cuidado, y sus restos, visibles aún hoy, son de una belleza inmensa. Sin embargo, lo que le interesaba a Digges era determinar la distancia a la Tierra de la supernova utilizando la paralaje. Su conclusión, como no podía ser de otra manera, fue que estaba muy lejos de nosotros: más allá de la Luna. Ya sé que hoy en día esa conclusión puede parecer ingenua y hacer sonreír, y más al conocer la distancia real hasta la supernova, que es de unos 7500 años-luz (¡más allá de la Luna, desde luego!), pero recuerda la época y las ideas imperantes por entonces.
Digges estaba diciendo algo bastante impactante. Por un lado, la supernova antes no estaba ahí, y de pronto aparecía una nueva estrella; es decir, algo había cambiado. Y el inglés afirmaba que ese cambio se había producido más allá de la órbita de la Luna, es decir, en los “cielos inmutables” de la concepción clásica del Universo. No es una prueba tan abrumadora como las de Galileo para derrumbar el paradigma aristotélico, pero es un buen sopapo a las ideas antiguas sobre la inmutabilidad del firmamento, ya que es un cambio difícilmente despreciable.
Sin embargo, lo que más nos interesa de esto no es el derrumbamiento de ningún paradigma –de eso ya se encargaron Copérnico y Galileo–, sino de la línea de razonamiento de Digges a partir de aquí. La ausencia de paralaje de la supernova y las demás estrellas significaba que estaban todas muy lejos, pero no necesariamente a la misma distancia: era simplemente imposible, con los instrumentos disponibles entonces, determinar la diferencia de distancia entre ellas. Lo más razonable, en opinión de Digges, era suponer por tanto que no había una sola esfera con estrellas, sino que éstas ocupaban un volumen inmenso alrededor del Sistema Solar: de un “Universo plano con un fin definido” en la esfera de las estrellas fijas habíamos pasado a un “Universo profundo con un fin indefinido”.
Copérnico es un genio de una enorme audacia, y no pretendo igualar a Digges en importancia con el polaco; pero el inglés también es genial, y leer sus palabras escritas en 1576, treinta años antes de que Galileo pusiera su mirada en los satélites de Júpiter, me da escalofríos:
Este orbe de estrellas fijas se extiende en altitud esféricamente, un palacio de felicidad inmóvil adornado con innumerables luces de brillo perpetuo, que superan con mucho al Sol tanto en cantidad como en calidad como la corte de ángeles celestiales, desprovistas de sufrimiento y llenas de felicidad perfecta y eterna, el hogar de los elegidos.
Dejando aparte lo poético del lenguaje y la mezcolanza ciencia-religión, observa la idea que subyace ahí: las estrellas son mucho más brillantes que nuestro Sol, que no es sino una más de infinitos astros que sólo vemos menos brillantes que él por su enorme distancia a nosotros. Como digo, Digges va mucho más lejos que Copérnico en cuanto a su concepción del tamaño y complejidad del Universo más allá de nuestro Sistema Solar. Sin embargo, Digges no se detiene ahí, sino que examina las consecuencias lógicas de esta premisa de un firmamento lleno de infinitas estrellas alejadas distancias cada vez mayores de nosotros. Y, al hacerlo, llega inevitablemente a la que posteriormente se llamaría paradoja de Olbers.
La cuestión es ésta: si hay infinitas estrellas en el firmamento, alejadas distancias más y más grandes de nosotros indefinidamente, ¿por qué el cielo es negro de noche? Nuestro Sol nos proporciona una enorme cantidad de luz; sí, las otras estrellas parecen brillar menos por su mayor distancia, pero son un número infinito comparado con la nuestra. ¿Por qué el firmamento nocturno no es brillante, como suma de la luz de infinitas estrellas?
Aquí es donde Digges, tal vez por falta de herramientas matemáticas, tal vez por sus propias limitaciones, trastabilla y no llega más allá. Su explicación de esa paradoja es simplemente que la mayor parte de las estrellas están tan lejos que no nos es posible verlas, con lo que sólo vemos en el cielo nocturno las que están a una distancia menor que la máxima que podemos ver – que sigue siendo enorme, pero es finita. Claro, Digges no disponía de leyes de disminución de la luminosidad con la distancia ni nada parecido, con lo que su conclusión no es disparatada para la época, pero no se sostiene.
El primero en darse cuenta de ello es el alemán Johannes Kepler en 1610. Aunque creo que Kepler no realizó un análisis matemático de la cuestión, sospecho que pensó sobre ello con más cuidado que Olbers y llegó a una conclusión más detallada: sí, tal vez una estrella más lejana tuviese un brillo menor visto desde la Tierra, pero cuanto más lejos miremos, si consideramos un Universo homogéneo, más estrellas hay, con lo que una cosa compensa la otra y el cielo entero debería brillar con una luminosidad deslumbrante.
Sin embargo, esto no sucede, con lo que la conclusión de Kepler es clara: el Universo no es infinito. Existe un borde, un límite a una distancia enorme de nosotros, y ese borde es lo que vemos en negro como fondo a las estrellas fijas, que existen en un número ingente pero no infinito. Sin embargo, en uno de esos giros irónicos de la historia de la ciencia, el trabajo del propio Kepler sobre el Sistema Solar haría su explicación muy poco atractiva tan sólo unos años después de postularla.
El inglés Isaac Newton, basándose entre otras cosas en las Leyes de Kepler para tratar de determinar los principios que gobiernan el movimiento de los astros, llega a su Ley de la Gravitación Universal que tan bien explica el comportamiento de los cuerpos celestes. Sin embargo, hay un problema: el Universo aparentemente estático que observamos (sin los instrumentos de hoy día, por supuesto, para darnos cuenta de que no es estático) no puede durar mucho, sometidos los astros a la fuerza gravitatoria, salvo que sea infinito y homogéneo. Supongamos, por ejemplo, que existe un borde á la Kepler; por lo tanto, necesariamente hay un centro; por lo tanto, el centro de masas del Universo entero está en ese centro e, inevitablemente, todos los cuerpos del Universo, incluidos la Tierra y el Sol, se verán arrastrados hacia ese centro y el Universo se colapsará sobre sí mismo.
Newton es, por tanto, partidario de un Universo infinito y homogéneo a gran escala, de modo que no haya lugares privilegiados alrededor de los que se colapse toda su materia. El problema es que, entonces, la única explicación a lo que tal vez deberíamos llamar paradoja de Digges –la de Kepler– se va al garete, y volvemos a las mismas: ¿por qué el cielo es negro si el Universo es infinito y homogéneo a gran escala?
El primer análisis matemático riguroso de la cuestión fue realizado por el inglés Edmond Halley en 1720 y refinado por el suizo Jean-Philippe Loys de Chéseaux (a la derecha) en 1744. El razonamiento me parece de una enorme claridad para comprender por qué Digges no tenía razón, ya que creo que nuestra primera reacción es parecida a la del inglés: aunque haya infinitas estrellas, al estar a distancias enormes, su brillo es cada vez menor, tanto que pasada cierta distancia ya no las vemos. Y esto es, cuando se aplica el razonamiento cuidadoso a la cuestión, estrictamente falso, pero hace falta pensar como Halley y de Chéseaux para verlo.
Partamos de las premisas habituales en la época: el Universo es, a gran escala, homogéneo, y se extiende hasta el infinito. Podemos entonces dividir todo el Universo en una serie de cortezas esféricas concéntricas con la Tierra, como si fueran las capas de una cebolla, todas del mismo grosor. Hagámoslo así, y fijémonos en la contribución al brillo del firmamento de cada una de estas “capas de cebolla”, estrella a estrella y luego capa a capa.
La intensidad del brillo de cualquier objeto, considerando que es una fuente luminosa puntual –algo muy razonable para las estrellas por estar tan lejos de nosotros–, es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al observador. Es decir, que el brillo disminuye como 1/r2, donde r es la distancia hasta la estrella en cuestión. Hasta aquí estamos de acuerdo con Digges, por supuesto: cuanto más lejos está una estrella, menos intensidad luminosa nos llega. De hecho, como puedes ver, la disminución es bastante brusca – duplicar la distancia disminuye la intensidad cuatro veces.
En resumen: una estrella situada en la “capa de cebolla” que dista r de la Tierra brilla como 1/r2, con lo que cuanto más lejos esté la capa, menos brillan sus estrellas desde la Tierra. Pero para saber cuánto brilla la capa de cebolla entera, nos hace falta multiplicar el brillo de cada estrella por el número de estrellas que hay. Y no hay el mismo número de estrellas en cada capa, ni mucho menos.
De hecho, el número de estrellas que habrá en cada capa, considerando que el Universo es homogéneo y que las capas son del mismo grosor, es precisamente proporcional al cuadrado del radio medio de la capa de cebolla. Con lo que el número de estrellas por capa aumenta como r2, y una capa situada al doble de distancia tiene cuatro veces más estrellas que la otra. ¿Ves la conclusión inevitable? ¡Cada capa proporciona exactamente el mismo brillo que cualquier otra! El brillo total es proporcional al número de estrellas multiplicado por el brillo de cada una, es decir, r2 x 1/r2. Al contrario de lo que pensaba Digges, la contribución de las regiones más alejadas del Universo al brillo del firmamento no se hace minúscula, sino que se mantiene. Al sumar estas infinitas contribuciones de las infinitas capas el resultado es, necesariamente, un brillo infinito. De vuelta al absurdo, ya que eso no se observa, ¡ni mucho menos!
De Chéseaux demostró, por cierto, que ni siquiera hace falta un Universo infinito para contradecir a nuestros sentidos: basta un Universo muy grande, pero no infinito, para que el cielo brille de noche, tal vez no con un brillo infinito, pero sí equivalente al del Sol en cada punto. Y eso, desde luego, no sucede ni por asomo. El problema de compaginar este hecho empírico con la concepción newtoniana de un Universo estático pese a la fuerza gravitatoria puede parecer hoy menor, pero supuso un grave problema durante siglos, y cualquier astrónomo sufría escozores internos al oír mentar el asunto.
De Chéseaux intentó resolver la paradoja introduciendo un efecto nuevo: sí, en un Universo transparente el brillo sería infinito, ¡pero el Universo no lo es! Debe haber nubes de polvo y otro material que no brilla como las estrellas, que oculta el brillo de las más lejanas, como la niebla en una mañana húmeda oculta el brillo de las luces tras ella. De este modo, cuanto más lejos miramos, más estrellas hay pero también más polvo “oscurecedor”, con lo que llega un momento en el que no se ve nada más allá. Pero, ¡porca miseria!, el argumento de de Chéseaux tampoco se sostiene.
Nuestro buen Heinrich Olbers, por cierto, simplemente dio una explicación alternativa al planteamiento de de Chéseaux, pero el argumento de Olbers es tan fácil de imaginar visualmente que, supongo, cautivó la imaginación de los científicos de tal modo que la paradoja acabó quedándose con su nombre. De acuerdo con Olbers, podemos pensar en términos de rayos: si trazamos rayos rectilíneos que salen del ojo –la luz realmente llega al ojo, pero lo mismo da–, considerando un Universo homogéneo e infinito, cualquiera de esos rayos acabará encontrándose con una estrella. Es imposible que ninguno consiga escapar para siempre de ese destino final, porque al haber infinitas estrellas hasta distancias infinitas, tarde o temprano se topará con una.
¿La explicación de Olbers de por qué el cielo no es brillante de noche? La misma que la del suizo: hay nubes de polvo y gas que oscurecen el cielo, tapando las estrellas. Pero, como dijimos antes, ese argumento no se sostiene. De hecho, mencionarlo siquiera hubiera hecho que las barbudas mejillas de William Thomson, Lord Kelvin, se tornasen rojas como cerezas: ¡En este Universo se respetan las Leyes de la Termodinámica, jovencito!
Porque claro, un análisis cuidadoso de la explicación de de Chéseaux-Olbers la hace desmoronarse como un castillo de naipes. Si el brillo infinito del firmamento es absorbido por enormes cantidades de polvo, según el polvo absorba más y más energía se irá calentando hasta alcanzar el equilibrio térmico y brillará a su vez, emitiendo exactamente la misma cantidad de energía que absorbe y volviendo el firmamento, una vez más, infinitamente brillante. Vamos, que estamos como antes… ¿o estaban los científicos olvidando algo importante y ya conocido por entonces?
La primera pieza de la solución moderna a la paradoja de Digges la dio precisamente el ínclito Lord Kelvin en una forma rigurosa en 1901. Sin embargo, otros antes que él habían propuesto básicamente la misma solución, aunque sin el mismo rigor pues no se trataba de científicos. La clave estaba en la finitud de la velocidad de la luz, cuyo valor se conocía desde la segunda mitad del siglo XVII: para llegarnos luz de estrellas alejadas infinitamente de nosotros, no hace falta sólo un Universo espacialmente infinito, sino también temporalmente infinito.
Dicho con otras palabras, dado que a la luz le lleva tiempo viajar una determinada distancia, la única luz visible desde la Tierra ahora mismo es la procedente de las estrellas contenidas en una esfera centrada en la Tierra y cuyo radio, en años-luz, sea la edad del Universo en años, pues ésa será la máxima distancia que puede haber recorrido la luz en la existencia del Universo. Esta idea fue ya expresada por Mark Twain y Edgar Allan Poe en el siglo XIX, como puedes ver en esta cita del segundo:
La única manera, por tanto, en la que, en esas condiciones, podríamos comprender los vacíos que nuestros telescopios encuentran en innumerables direcciones, sería suponer que la distancia del fondo invisible es tan inmensa que ningún rayo procedente de él ha podido alcanzarnos aún.
Kelvin, en su On Ether and Gravitational Matter through Infinite Space (Sobre el éter y la materia gravitatoria a través del espacio infinito), estudió el asunto de manera cuantitativa. Kelvin no era partidario de un Universo temporalmente infinito ni mucho menos; de hecho, durante gran parte de su vida luchó contra biólogos y geólogos pues consideraba que las estimaciones de esos científicos sobre la edad de la Tierra eran exageradísimas: él pensaba que la Tierra tenía unos pocos millones de años, y que el Universo entero probablemente también era bastante joven.
Aunque Lord Kelvin era profundamente religioso, y es probable que le encantara encontrar pruebas que, a su juicio, hacían imposible que hubiera dado el tiempo necesario para que la evolución tuviera lugar como decía Darwin –de hecho, alguna vez discutió con nuestro viejo amigo Huxley acerca de esto–, su idea de una Tierra y un Universo jóvenes no era producto del fervor religioso, sino de la razón. Suponiendo una Tierra inicial muy caliente que se ha ido enfriando, y teniendo en cuenta su temperatura actual, era posible emplear la Termodinámica para estimar un límite máximo de la edad de la Tierra dadas las pérdidas térmicas por radiación y la energía procedente del Sol.
Y la Tierra, teniendo en cuenta estos factores, debería estar muchísimo más fría de lo que está si suponemos un Sistema Solar de varios miles de millones de años de antigüedad. ¡Debería haberse enfriado hace mucho tiempo! De acuerdo con las estimaciones de Kelvin –que eran cuidadosísimas–, la Tierra debía tener unas decenas o cientos de millones de años, un abrir y cerrar de ojos comparado con las estimaciones de geólogos y biólogos… y lo mismo pasaba con el Sol y las demás estrellas.
De acuerdo con Kelvin, el Sol debería haber agotado su combustible hace eones, incluso suponiendo que fuese de un poder calorífico inmenso y que la combustión era idónea. No era posible un Sol tan viejo como pensaban muchos, salvo que existiera alguna otra fuente de energía desconocida que fuese muchos órdenes de magnitud más poderosa que la combustión. De modo que, para inmenso placer de Lord Kelvin, el Universo era probablemente muy joven –lo cual significaba probablemente una intervención divina para que las cosas evolucionasen tan rápido, de ahí el “inmenso placer”–.
Por lo tanto, la solución de Lord Kelvin a la paradoja era bien simple: el Universo no lleva existiendo un tiempo infinito. Por tanto, existe una esfera alrededor de la Tierra cuyo límite es la máxima distancia que la luz ha recorrido desde el inicio de los tiempos y, dado que el Universo es muy joven, esa esfera es bastante pequeña y explica el cielo nocturno de color negro.
Claro, el pobre William Thomson no tenía razón en casi nada en este asunto: sí existía una nueva fuente de energía, y procesos desconocidos para él que explicaban la enorme edad de la Tierra y el Sol. La desintegración radiactiva de las rocas era la responsable de que la Tierra estuviera “más caliente de lo que debería”, y el Sol no brillaba porque estuviese quemando carbón ni nada parecido, sino a causa de la fusión nuclear de hidrógeno en helio. Sin embargo, sí tenía razón –o eso pensamos ahora– en que el Universo había tenido un inicio, y en que ese hecho explica una parte de la paradoja de Digges. El artículo de Kelvin en 1901, por cierto, no recibió demasiada atención, lo cual es bastante injusto, ya que es una solución agudísima al problema.
Aunque describir esto en detalle llevaría muchos artículos, tan sólo once años tras el artículo de Kelvin se produciría una observación astronómica que cambiaría… bueno, que lo cambiaría todo. El estadounidense Vesto Melvin Slipher, realizando mediciones espectroscópicas de galaxias lejanas, observó que la radiación procedente de ellas estaba “corrida hacia el rojo”, es decir, que la frecuencia de la radiación que nos llega de ellas es menor de lo que debería. Esto puede ser explicado mediante el efecto Doppler, y significa que esas galaxias se alejan de nosotros. Seguramente de quien has oído hablar en relación con esto es de Edwin Hubble, pero lo que consiguió él fue demostrar (utilizando, entre otras cosas, los datos de Slipher) que existía una proporcionalidad entre la velocidad de alejamiento de las galaxias y su distancia a nosotros.
Lo esencial para nuestra argumentación es que ya no podemos seguir suponiendo, sin más, las capas de cebolla de de Chéseaux: las capas no son equivalentes. Según están más lejos de nosotros, más rápido se alejan de nosotros, con lo que más disminuye la frecuencia que recibimos desde ellas, es decir, más hacia el rojo se desplazaría la luz que recibimos de ellas. De hecho, llegaría un momento en el que la frecuencia sería tan baja que cruzaría el rojo y se convertiría en radiación infrarroja, invisible para el ojo humano.
Ése fue, esencialmente, el argumento propuesto por el astrónomo austríaco Hermann Bondi en 1955: que el corrimiento hacia el rojo de la radiación procedente de estrellas muy lejanas hace que no podamos verlas, explicando así el cielo “aparentemente negro” que vemos. De hecho, junto con Fred Hoyle y Thomas Gold, Bondi postuló en 1948 la hipótesis del Universo estacionario, hoy en día generalmente descartada a favor del Big Bang. De acuerdo con estos físicos, el Universo se expande continuamente pero no porque haya habido una “explosión primigenia”, sino debido a la constante creación de materia en los espacios interestelares. Se trata de una hipótesis que puede sonar tonta al principio, pero es muy elegante… y, una vez más, se escapa con mucho al propósito de este artículo. En cualquier caso, las pruebas pronto apoyaron abrumadoramente la hipótesis del Big Bang, con lo que la explicación de Bondi no tenía tanta importancia.
Y la hipótesis del Big Bang hace, por un lado, más fácil explicar la paradoja de Olbers, puesto que da la razón a Lord Kelvin en la finitud de la vida del Universo: no en la duración de su existencia, puesto que nuestras estimaciones son de unos 13 700 millones de años y no de 50 como sostenía el británico, pero sí en la idea de la “esfera de posibles estrellas visibles”. Sin embargo, por otro lado añade una complicación. Kelvin pensaba que el Universo, aunque fuese finito espacialmente, había sido creado esencialmente como ahora, es decir, con estrellas separadas distancias gigantescas comparadas con su tamaño, es decir, prácticamente puntuales, y una temperatura media del Universo muy baja.
Pero, de haberse producido el Big Bang, la temperatura en los comienzos del Universo debería haber sido absolutamente gigantesca, con lo que por entonces, el firmamento debería brillar una barbaridad. De modo que la hipótesis del Big Bang sugiere, como Kelvin, una esfera centrada en nosotros con un límite definido por el inicio del Universo, pero mientras que en el caso de Kelvin ese “borde” es negro, en el caso del Big Bang, dado que es lo que existía en el momento de emitirse esa radiación primigenia, el límite visible del Universo debería brillar, pues estaríamos viendo lo que sucedió en los orígenes extremadamente calientes de las cosas.
Llegamos así, finalmente, a la actualidad. Y, efectivamente, existe un “borde visible” y, efectivamente, el límite del Universo brilla, como comprobó de manera bellísima la misión WMAP de la NASA:
Sin embargo, Bondi también tenía razón: el corrimiento al rojo hace que, en vez de ver brillar el límite de la esfera que nos rodea con la frecuencia que tenía entonces, lo vemos con una frecuencia muchísimo menor, en la región de las microondas y, puesto que nuestros ojos no son sensibles a esas longitudes de onda, vemos un cielo negro: sólo que, estrictamente hablando, no es negro, sino que simplemente brilla por debajo de nuestro umbral de percepción, pero no el de nuestras máquinas.
La radiación de fondo de microondas, por cierto, tira por tierra otra posible explicación de la paradoja, expuesta por primera vez por el astrónomo sueco Carl Vilhelm Ludwig Charlier y luego perfeccionada por el matemático polaco Benoît Mandelbrot. La idea de estos dos genios –porque la idea, aunque haya resultado descartada empíricamente, es genial–: la de un Universo fractal, en el que la concentración espacial de estrellas se produce de manera que, a mayor tamaño de la región estudiada, menor densidad media hay, ya que las galaxias se reúnen “apelotonadas” como en el conjunto de Mandelbrot:
Pero, como digo, no pensamos que esto sea así. La radiación de fondo muestra un Universo que, a gran escala, es muy isotrópico –es decir, vemos lo mismo en todas direcciones–, y un Universo del tipo que sugerían Mandelbrot y Charlier se hubiera hecho evidente al mirar muy lejos… algo que no ha sucedido, en cierto sentido desgraciadamente, porque la imagen es, no me lo negarás, muy sugerente. No, tendremos que quedarnos con las más prosaicas que han sido, hasta donde es posible, confirmadas empíricamente.
De manera que la explicación de la paradoja de Digges-Olbers tiene fundamentalmente dos partes, una bastante más importante que la otra. La primera es el hecho de que el Universo tiene un origen en el tiempo, lo cual limita a una región de volumen finito el origen de la radiación que podemos recibir – y, en mi humildísima opinión, Kelvin merece el crédito de esa explicación, por erróneas que fueran sus estimaciones de la edad del Sol o la Tierra. Por otro lado, la expansión del Universo supone un corrimiento al rojo en la radiación recibida de las regiones más alejadas de nosotros y, por tanto, la imposibilidad de verla con nuestros ojos. Con una y otra cosa, la paradoja queda explicada y el espíritu de Digges puede descansar en paz entre esas innumerables luces de brillo perpetuo, desprovistas de sufrimiento y llenas de felicidad perfecta y eterna; el hogar de los elegidos.
Y con esto llegamos al final de la diatriba, sin mucha utilidad cuando quitamos el polvo y la paja pero, al menos, espero que hayáis disfrutado del viaje –especialmente Toms–.
Ten en cuenta que la radiación de fondo de microondas no se emitió en el momento exacto del big bang, sino unos 300.000 años después. Fue justo en el momento en que el universo se enfrió lo suficiente como para que se formaran los primeros átomos. Hasta entonces electrones y núcleos estaban separados. Una vez que deja de haber electrones libres, los fotones interaccionan mucho menos con ellos y el universo se hizo transparente a la radiación. Como podrás imaginar, a los 300.000 años el universo ya tenía un tamaño considerable 😉 Y desde entonces hasta ahora, el universo siguió expandiendose, "estirando" la longitud de onda de los fotones de ese fondo cosmico, y es por eso que los vemos ahora como microondas.
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lo de "su luz aún no nos ha llegado", creo que tiene una respuesta más simple de las vueltas que le estás dando. Das por sentado que lo que emitía esa luz estaba en el momento del big bang, esto no tiene por qué ser así. Hay muchísimas estrellas que se habr´na formado muchos años después del Big Bang a la suficiente distancia de nosotros como para que su luz no nos haya llegado.
Por otro lado, fuentes de radiación electromagnética que sí existieran en el Big Bang, pese a estar "muy cerca" puede que la luz no tuviera tiempo de acercarse las unas a las otras. Si suponemos que el Big Bang fue más o menos esférico, imagina una fuente de radicación saltando a un lado y otra a su opuesto. Dependiendo a la verlocidad que se alejen la una de la otra, puede que la luz no haya tenido tiempo de alcanzarse y más si hubo momentos en la que la expansión del universo fue superior a la de la luz.
Haciendo unos números burdos. Imagina que durante el primer segundo el universo se expandió al doble de la velocidad de la luz y luego fuer decelerando. Dos partículas expuladas en sentidos opuestos, pese a estar al principio "pegadas", no podrían "verse", ya se se alejaban mucho más rápido que la luz. La velocidad de expansión inicial, podría haber abierto un abismo entre ellas lo suficientemente grande como para que aún no se pudiesen vovler a encontrar.
Fíjate, además, que, según la wikipedia el universo visible tiene un diámetro de unos 46.500 millones de años, mientras que la edad del universo es de "sólo" 13500 millones de años. Como puedes ver, existen regiones del universo que es imposible que estén unidas causalmente, por lo que la luz de un extremo no ha podido llegar al otro.
Por otro lado, Argus, no sé qué le ves de chiste a hablar de años en eso momentos. Cre que estás confundiento la magnitud a medir (el tiempo), con la unidad (los años).
Lo único que nos dice la teoría de la relatividad es que dependiendo de la velocidad a la que nos movamos, el tiempo transcurrirá de una forma u otra. ¿Qué más dará que lo midamos en años o en segundos? El hecho de usar años es lo que lo hace que sea más comprensible para nosotros. Si fuéramos viajando en el frente de expansión del universo, probablemente daríamos otra cifra, pero, para nosotros, que vivimos en velocidades mucho órdenes de magnitud inferiores a la luz han transcurrido 13500 millones de años.
Y ya para acabar, se me ocurre una pregunta, si el universo se estuviera comprimiendo ahora, en lugar de expandirse, y suponiendo que pudiéramos vivir en él, ¿podría pasar que por culpa del corrimiento al azul, siguiéramos viendo el cielo negro por salir por arriba de nuestra percepción (obviendo también lo que sería tener que chuparse tal cantidad de radiación ultravioleta)?
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Permíteme un pequeño comentario para ver si lo he entendido bien.
Como el Universo tiene un origen, quiere decir que recibimos radiación de una porción de espacio finito, por lo tanto, la radicación que recibimos es finita.
Y por otro lado el corrimiento al rojo.
Por lo tanto deduzco que si miro al cielo por la noche en una dirección cualquiera y no veo ninguna estrella se debe:
1.º Que en esa dirección no hay nignuna.
2.º Emite radiación que no puedo verla.
3.º ? Que sí hay una estrella pero está tan alejada que su luz todavía no me ha llegado. Por ejemplo si en el momento de mirar se está creando una estrella a un año luz no la podré ver hasta dentro de un año.
Espero haberlo entendido bien.
En cuanto al dato que aparece en el comentario n.º 21 de Battosay: "el Universo visible tiene un diámetro de 46500 millones de años" ¿se debe a que el espacio se expande con una velocidad superior a la luz?
Si en el inicio del Universo dos partículas se separan en direcciones opuestas a la velocidad de la luz en estos momentos entre ellas habrá una distancia de 27400 millones de años-luz, ¿cómo es que hay un diámetro de 46500?
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la verdad es que el cálculo de distancias y tiempos en cosmología es algo bastante delicado. Depende mucho del modelo cosmológico que se adopte (densidad de materia/energia en el universo, existencia o no de constante cosmólogica, etc) y hay que manejar conceptos bastante avanzados y entenderlos muy bien para no liarse.
Es normal que uno se extrañe cuando oye que el universo tiene 14000 millones de años pero sin embargo el diametro del universo observable es de 46500 millones de años luz, ¿como es eso posible? Si no estoy demasiado equivocado (y puede que lo esté, no soy un experto en esto), la idea es que si bien la luz de los objetos más lejanos que podríamos observar ha viajado durante toda la edad del universo, para calcular la distancia a la que se encuentran "ahora" esos objetos hay que tener en cuenta cuanto se ha expandido el universo en ese tiempo. Ese factor de escala es la clave del asunto, y es altamente dependiente, del modelo cosmológico que se utilice. Con el modelo aceptado actualmente (métrica Friedman-Robertson-Walker, 30% del universo materia y 70% energia oscura), pues salen esos 46000 millones de años luz.
Para más detalles: http://astronomia.net/cosmologia/horizontes.htm
El enlace es bastante técnico, pero tal vez le sea util a los que tengan más interés en esto (especialmente si siguen todos los enlaces que contiene dicha web).
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¿a qué velocidad nos expandemos ahora? entiendo que ya (y por el momento) no estamos en una etapa inflacionaria, pero ¿como podemos saber la velocidad de expansión? quizá podemos ver cuanto espacio se está creando en algún momento, o qué tan rápido se alejan las galaxias lejanas, pero ¿cómo evitamos confundir eso con un movimiento normal?
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Las galaxias distantes (primitivas) son tan pocas y tan ricas en estrellas gigantes y rojas, que no brillan ni se distinguen a tanta distancia, apareciendo a nuestra vista como huecos negros o infrarojos, es decir opticamente invisibles.
Las estrellas rojas (primitivas) tenian sus electrones orbitarios mucho mas separados ( mayores radios orbitales) que las actuales. Con el tiempo transcurrido van comprimiendose las orbitas electronicas, aumentado la densidad atomica y dismonuyendo los radios ionicos.
Al mismo tiempo, crece la temperatura superficial enriqueciendose su espectro en las menores longuitudes de onda, galaxias mas y mas azules a medida que la distancia es menor.
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Sé que me estoy metiendo en un jardín al intentar responder a tu preguntas (que debido al año y pico que separa nuestros comentarios no sé si leerás). 😀
Tal como yo lo entiendo, esa "pared" no es el límite espacial del Universo. La movida es que conforme nuestros telescopios observan cosas que están muy lejos no solo están lejos en el espacio, sino en el tiempo... lo típico que dicen que algunas de esas estrellas que vemos "ya no están ahí" pero su luz nos sigue llegando y cuando las vemos explotar resulta que explotaron hace miles de años.
Entonces, cuando tu vista se remonta muy lejos, no se remontar solo en el espacio, sino en el tiempo. Cuanto más lejos ves una cosa, hace más tiempo que la cosa era así. Y si te remontas más lejos en el tiempo, la cosa tiene un límite: el tiempo que hace que el universo se creó (o al menos que empezó a emitir radiación).
Así, esa "pared" no es un límite espacial, sino temporal. Es la pared del Universo Visible; de las cosas que están más allá de la pared aún no nos ha llegado su luz.
A mí personalmente me da vértigo todo esto, como concepto :Dº
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La radiación de fondo nació con una frecuencia altísima (rayos gamma) y fue bajando hasta ser hoy en día microondas (longitud de 30 centímetros a 1 milímetro). Forzosamente debió pasar por el rango de luz visible (400 y 700 nm) por lo que en alguna época del universo, los cielos de algún planeta (o del nuestro) se habrán visto violetas, luego azules, verdes, amarillos, naranjas y finalmente rojos. Alguien sabe calcular en que época de universo sucedió esto?
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adjunto tabla de la edad del universo y de la temperatura que había en ese instante: 370.000 años 2.750ºC 10 millones de años 100ºC 13 millones de años 50ºC 15 millones de años 25ºC 17 millones de años 0ºC 18 millones de años -10ºC El universo se enfrió muy rápidamente, por debajo de 0ºC, varios cientos de millones de años antes de que se empezasen a formar estrellas y galaxias
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Según el modelo ΛCDM, las primeras estrellas y galaxias no se pudieron formar antes de que el Universo tuviese como mínimo 200 millones de años. Por aquel entonces la temperatura del fondo cósmico de microondas ya había descendido a tan solo 55K, (-218ºC). Como explico en el comentario anterior, cuando el Universo estaba "calentito" tenía menos de 20 millones de años, pero todavía no se habían formado estrellas ni planetas y por lo tanto no había nadie para verlo.
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La solución a la Paradoja de Olbers unánimemente aceptada por la comunidad Astronómica es la que publican Wesson, Valle y Stabell en la revista The Astrophysical Journal vol. 317 June 15, 1987 pag. 601-606 con el título: The extragalactic background light and a definitive resolution of Olbers’s Paradox
Un resumen de las conclusiones en español se puede leer aquí:
http://forum.lawebdefisica.com/threads/27351-%C2%BFPosible-soluci%C3%B3n-paradoja-de-Olbers?p=163650#post163650
¿Posible solución paradoja de Olbers?
Releyendo hilos viejos he dado con éste sobre la Paradoja de Olbers, formulada formalmente por este astrónomo aficionado en 1823, aunque ya había sido parcialmente enunciada por otros astrónomos mucho antes, entre ellos el propio Kepler.
El argumento de Olbers dice que si el universo se supone infinito, eterno y conteniendo un número infinito de estrellas luminosas uniformemente distribuidas, entonces el número de estrellas N a una distancia R es proporcional a la superficie de una esfera de ese radio, es decir,
Como la intensidad de la luz sigue una ley de la inversa del cuadrado, entonces la luminosidad aportada por sucesivas capas de estrellas debe ser independiente del radio R de la capa, ya que el área aparente de una estrella disminuye con el cuadrado de la distancia y el número de estrellas esperado aumenta con el cuadrado de la distancia. Así, cada punto en el cielo debería ser tan brillante como la superficie de una estrella. En otras palabras, cada línea visual partiendo de la Tierra debería acabar terminando en la superficie de una estrella y el cielo nocturno debería ser muy brillante.
Como en realidad el cielo nocturno tiene muchas zonas oscuras y sin brillo, (ahí está la paradoja), de aquí se deduce que alguna o algunas de las hipótesis de partida anteriores ha de ser falsa, dado que el razonamiento de Olbers es impecable.
A lo largo de 2 siglos se han ido proponiendo diferentes soluciones a la paradoja, se pueden consultar algunas “soluciones” históricas en la Wikipedia:
Paradoja de Olbers
Sin embargo la solución unánimemente aceptada por la comunidad Astronómica es la que publican Wesson, Valle y Stabell en la revista The Astrophysical Journal vol. 317 June 15, 1987 pag. 601-606 con el título:
The extragalactic background light and a definitive resolution of Olbers’s Paradox
En el enlace se puede leer el documento completo, que es una demostración matemática de la contribución de la expansión del Universo según el modelo Fridman-Lemaitre-Robertson-Walker (FLRW) y de la formación temprana de las estrellas en las galaxias, a la luminosidad de fondo del cielo. Los detalles matemáticos están en el enlace, aquí me limito a traducir las conclusiones del estudio:
"Estos resultados permiten juzgar la importancia relativa de los 2 principales factores que determinan la luminosidad de fondo del cielo:
1.- El tiempo de vida de las galaxias, que restringe el número de fotones que han sido emitidos en el espacio intergaláctico y
2.- La expansión del Universo, que reduce la densidad de fotones al incrementar el volumen y también disminuye su energía desplazándolos hacia el rojo
La conclusión que se obtiene es que en los modelos realistas FLRW el primer factor es dominante y el segundo relativamente menor: la expansión del Universo no puede reducir la luminosidad del fondo a menos de la mitad de la que tendría un Universo estático equivalente.
Este trabajo confirma resultados previos y los cuantifica de tal manera que no deja la menor duda sobre la solución verdadera: El orden de magnitud de la intensidad de la luz intergaláctica está determinado por el tiempo finito de vida de las galaxias, y se ve únicamente reducido en un factor de aproximadamente 2 por la expansión del Universo"
Con este post intento hacer notar que la Paradoja de Olbers fue una paradoja en sus tiempos, pero que actualmente no lo es en absoluto, pues el modelo basado en la Relatividad General, nos permite calcular con resultados satisfactorios que la luminosidad del cielo nocturno es la que realmente observamos.
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Pedro Gómez-Esteban González. (2009). El Tamiz. Recuperado de: https://eltamiz.com/
