¿Por qué el cielo está oscuro en la noche? La historia de 200 años de una pregunta que transformó nuestra comprensión del Universo        

Por Jonathan Biteau, et al., La conversación.

19 de junio de 2023.

Crédito: ESA/Webb, NASA y CSA, A. Martel , CC BY-SA

Al amanecer del 7 de mayo de 1823 en la ciudad alemana de Bremen, Heinrich Olbers ultimaba un artículo que dejaría su nombre en la historia. Tras la muerte de su mujer y su hija, el Dr. Olbers había abandonado recientemente su trabajo como oftalmólogo para dedicarse a sus pasiones nocturnas: las estrellas, la Luna, los meteoritos y los cometas.

Como muchos de sus compañeros, Olbers se formó en astronomía. Ganó una sólida reputación en el mundo académico y pasaba largas noches observando el cielo desde el observatorio en el segundo piso de su casa.

Esa mañana, Olbers había llegado a una conclusión extraña: según todo lo que se sabía sobre el Universo en ese momento, el cielo nocturno no debería haber estado oscuro. De hecho, todo el cielo debería haber brillado tan intensamente como el Sol.

Olbers no fue el primero en notar esta paradoja. Pero su nombre es el que le adjuntamos hoy. El enigma de la oscuridad del cielo nocturno se ha hecho eco a lo largo de los siglos, desde Olbers y el poeta Edgar Allan Poe hasta los astrónomos del siglo XX y las sondas espaciales de la actualidad.

Luz finita en un Universo infinito.

Como muchos de sus contemporáneos, Olbers siguió a Isaac Newton y René Descartes al creer que el Universo era infinito.

Si el Universo fuera finito y estático, la fuerza de la gravedad debería unir todas las estrellas en un punto central. Pero si el Universo se extendiera eternamente, las fuerzas gravitatorias estarían, en promedio, equilibradas en todas las direcciones.

Pero Olbers se dio cuenta de que este modelo del cosmos era inconsistente con las observaciones. En un Universo ilimitado lleno de un número infinito de estrellas, dondequiera que miremos por la noche, nuestra mirada debería aterrizar en la superficie de una estrella, de la misma manera que cada línea de visión en un bosque termina en un árbol.

Este es el problema que planteó Olbers en su artículo del 7 de mayo de 1823: el modelo cosmológico de la época sugería que cada punto del cielo debería ser tan brillante como la superficie del Sol. No debe haber noche.

Olbers propuso una solución: la luz de las estrellas más lejanas era absorbida por el polvo u otro material que flotaba en el espacio. El astrónomo inglés John Herschel señaló más tarde que esto no podía ser correcto, porque cualquier cosa que absorbiera tanta luz eventualmente se calentaría lo suficiente como para brillar.

Cuando Olbers murió el 2 de marzo de 1840, a la edad de 81 años, el enigma que hoy conocemos como la paradoja de Olbers quedó sin resolver.

La intuición de un poeta.

Ocho años después, al otro lado del Océano Atlántico, el poeta y escritor Edgar Allan Poe creyó haber encontrado una respuesta. El 3 de febrero de 1848, dio una conferencia pública sobre sus ideas a 60 personas en la Biblioteca de la Sociedad de Nueva York.

Oscilando entre la metafísica y la ciencia, Poe argumentó que el cosmos había surgido de un solo estado de la materia ("Unidad") que se fragmentó y dispersó bajo la acción de una fuerza repulsiva.

Esto significaba que el Universo era una esfera finita de materia. Si el Universo finito está poblado por un número suficientemente pequeño de estrellas, entonces no veremos una en todas las direcciones en las que miremos. La noche puede volver a ser oscura.

Incluso si asumimos que el Universo es infinito, si comenzó en algún momento del pasado, el tiempo que tarda la luz en llegar a nosotros limitaría el tamaño de la cantidad de Universo que podemos ver. Este tiempo de viaje crearía un horizonte más allá del cual las estrellas distantes permanecerían inaccesibles.

La audiencia de Poe en la Biblioteca de la Sociedad de Nueva York no le brindó la acogida entusiasta que esperaba. Posteriormente, ese mismo año, publicó sus teorías en el poema en prosa Eureka, que tuvo poca circulación.

Al año siguiente, el 7 de octubre de 1849, Poe murió a la edad de 40 años. Pasaría más de un siglo antes de que los científicos confirmaran sus intuiciones sobre el enigma del oscuro cielo nocturno.

Dos hechos y medio.

En la primera mitad del siglo XX se desarrollaron muchas teorías nuevas del cosmos, impulsadas por la teoría general de la relatividad de Einstein, que explicaba la gravedad, el espacio y el tiempo de formas nuevas. En la segunda mitad del siglo, estas teorías cosmológicas comenzaron a ser probadas con observaciones.

En 1963, el astrónomo británico Peter Scheuer argumentó que la cosmología se basaba solo en "dos hechos y medio":

hecho 1: el cielo nocturno es oscuro, lo que se sabía desde hace algún tiempo.

hecho 2: las galaxias se están alejando unas de otras, como lo muestran las observaciones del Hubble publicadas en 1929.

hecho 2.5: el contenido del Universo probablemente está evolucionando a medida que se desarrolla el tiempo cósmico.

Fuertes controversias sobre la interpretación de los hechos 2 y 2.5 agitaron a la comunidad científica en las décadas de 1950 y 1960. ¿Era el Universo esencialmente estacionario, o había comenzado en una enorme explosión, un Big Bang? Los partidarios de ambos lados admitieron, sin embargo, que necesitaban explicar la oscuridad del cielo nocturno.

La vida de las estrellas.

El cosmólogo británico Edward Harrison resolvió el conflicto en 1964. Mostró que el factor principal que determina el brillo del cielo nocturno es en realidad la edad finita de las estrellas.

El número de estrellas en el Universo observable es extremadamente grande, pero es finito. Este número limitado, cada uno ardiendo por un tiempo limitado, repartido en un volumen gigantesco, permite que la oscuridad se manifieste entre las estrellas.

Más tarde, Harrison se dio cuenta de que esta solución ya había sido propuesta no solo por Edgar Allan Poe, sino también por el físico británico Lord Kelvin en 1901.

Las observaciones en la década de 1980 confirmaron la resolución propuesta por Poe, Kelvin y Harrison. La paradoja de Olbers finalmente había desaparecido.

Luz fósil.

O tal vez no del todo. Visto desde un ángulo diferente, hay otra resolución a la paradoja: el cielo nocturno en realidad no es tan oscuro después de todo.

Después del descubrimiento de la expansión del Universo a fines de la década de 1920, los científicos se dieron cuenta de que el Universo podría haber comenzado extremadamente compacto, denso y caliente. Este es el modelo "hot Big Bang" que tenemos hoy.

Una predicción central de este modelo es la existencia de "luz fósil" liberada en el amanecer cósmico. Esta luz fósil debería ser observable hoy, pero no a simple vista, ya que el Universo en expansión la habría desplazado a longitudes de onda más largas.

Esta radiación, el fondo cósmico de microondas, se detectó en 1964. Ahora medido con exquisita precisión, la radiación cósmica de fondo es la luz más común en el Universo.

Ahora sabemos que el cosmos también está iluminado por una segunda luz de fondo mucho más tenue, producida por las galaxias a medida que se forman y evolucionan. Esta luz se conoce como el fondo cósmico ultravioleta, óptico e infrarrojo.

Así que también podemos responder a la paradoja de Olbers diciendo que el cielo no está oscuro, sino que brilla tenuemente con la tenue radiación reliquia de todo lo que ha sido durante la vida finita del Universo.

Nuevas respuestas, nuevas preguntas.

En 2023, la paradoja de Olbers se ha convertido en un rico campo de investigación. En nuestro propio trabajo, realizamos mediciones cada vez más precisas del brillo del cielo nocturno y simulamos las estrellas del cosmos con supercomputadoras. Ahora podemos determinar el número de estrellas en el cielo con gran precisión.

Sin embargo, los rompecabezas permanecen. El año pasado, la sonda espacial New Horizons, más allá de la órbita de Plutón y lejos del polvo del Sistema Solar interior, descubrió que el cielo es el doble de brillante de lo que esperábamos.

Y así la cuestión de la oscuridad del cielo sigue viva, atravesando épocas y culturas.

Fuente:

https://phys.org/news/2023-06-sky-dark-night-year-history.html