¿Por qué es oscura la noche?

En el post anterior comentaba la paradoja de Olbers, basada en la idea newtoniana de un universo infinito y estático. Olbers se planteó que si el universo era infinito contendría infinitas estrellas, entonces siempre en cualquier dirección del cielo que mirásemos tendríamos que observar una gran cantidad de estrellas y su luz haría que la noche estuviera iluminada como el día. Pero no es así, la noche es oscura. La solución de la paradoja reside en la expansión del universo, descubierto por Lemaitre y confirmada por Hubble. Referencias: paradoja de Olbers, Ley de Hubble, expansión del universo, Big Bang, Gran Explosión, Horizonte cósmico, edad del universo.

El descubrimiento de Lemaitre y confirmado por Hubble muestra que el universo se está expandiendo y lo ha estado haciendo desde hace miles de millones de años. La ley de Hubble nos dice que la expansión del universo se produce como una consecuencia observacional de que todas las galaxias se alejan unas de otras y su velocidad aumenta linealmente con la distancia de separación entre ellas. Es decir,

Donde H₀ es la constante de Hubble.

Esto significa, que en el pasado, la materia que ahora ocupa todo el volumen del universo estuvo encerrada en un volumen menor. Por tanto la densidad de materia en el pasado era mayor que en la actualidad. Existirá un instante en que todo el universo se encontraba encerrado en un volumen infinitamente pequeño y con una densidad infinitamente grande. A este instante se le denomina singularidad cósmica o Big Bang.

El nombre del Bing Bang lo ideo Fred Hoyle para burlarse de la teoría del universo en expansión, en contra de su teoría del universo estacionario. Pronunciado en un programa de radio de la BBC el 28 de marzo de 1949. Curiosamente esta burla ha pasado a dar el nombre a la teoría de la expansión del universo o teoría del Big Bang o Gran Explosión.

Este término de Gran Explosión llega a confundir a la mayoría de la gente no habituada en los conceptos astrofísicos. El origen del universo no se produce a partir de una explosión de material ya existente, sino todo lo contrario. Significa la creación a partir de la nada, es el origen tanto de la materia como del espacio y el tiempo. Increíble verdad? No lo entiende? No se preocupe, yo tampoco…ni nadie. Entonces…?

El Big Bang es justamente darse cuenta que si pudiésemos hacer una película del universo desde su formación hasta ahora y la pasásemos al revés, observaríamos a las galaxias juntarse cada vez mas hasta formar una sopa de partículas elementales y desaparecer de golpe. Como si observáramos al revés la película de una explosión de una bomba, veríamos como sus partes desintegradas vuelven a formar a la bomba. No hay más semejanza del nombre con la realidad que esta.

Esta analogía con la explosión de una bomba nos permite hacer el siguiente cálculo. ¿Cuando tuvo lugar el Big Bang? Para dar un respuesta, imaginemos a dos galaxias que hoy en día están separadas por una distancia d y se separan a una velocidad v. Si observásemos la película al revés veríamos que las dos galaxias se van aproximando a medida que la película avanza al revés. Podemos calcular el tiempo que tardaran en colisionar, lo denomino T₀.

Es el tiempo que tardan las dos galaxias en “recorrer” una distancia d a una velocidad v. Fijense que he puesto recorrer entre comillas, pues no es que las galaxias se muevan, es el espacio entre las galaxias el que se expande. Vuelvo aquí a recordarle que el nombre de Big Bang es solo esto, un nombre, el concepto de expansión del universo es más complicado. Pero tenemos donde apoyarnos, en la ley de Hubble (v=Hd). Apliquemos esta ley a la ecuación anterior.

Observamos que la distancia de separación d se ha cancelado y no aparece en la expresión final. Esto significa que T₀ es el mismo para todas las galaxias. Es el tiempo en el pasado cuanto todas las galaxias se encontraban juntas, cuando sucedió el Big Bang. Es la edad del Universo.

Las observaciones sugieren que el valor de la constante de Hubble toma el valor de 71 km/s/Mpc, donde Mpc significa Megaparsec. Asi pues, la edad del Universo es:

1 Mpc son 3,09·10¹⁹ km y 1 año son 3,156·10⁷ s, entonces

El universo tiene unos 14 mil millones de años. Nuestro sistema solar tiene una edad de 4.560 millones de años, una tercera parte de la edad del universo.

Hay que decir que el ritmo de expansión del universo no es constante, ha variado desde su inicio. Teniendo en cuenta estos factores la edad del universo se estima en 13,7 mil millones de años.

La teoría del Big Bang finalmente explica la paradoja de Olbers. El universo tiene un origen y una edad finita. Si el universo tiene 13,7 mil millones de años, entonces la luz de las estrellas más lejos de 13,7 mil millones de años luz aun no ha tenido tiempo de llegar hasta nosotros. No podemos observar nada que se encuentre más lejos que esta distancia.

Para visualizarlo consideremos a la Tierra en el centro de una enorme esfera de radio 13,7 mil millones de años luz. La superficie de esta esfera se denomina el horizonte cósmico. Nuestro universo observable se encuentra dentro de esa esfera. No podemos observar nada que se encuentre más allá del horizonte cósmico, pues el tiempo que tardaría la luz en llegar hasta nosotros es mayor que la edad del universo.

Límite del Universo observable

Dentro del universo observable las galaxias se encuentran suficientemente repartidas de manera que no hay estrellas a lo largo de muchas líneas visuales, lo cual también explica porque la noche es oscura.

Existe otro factor que favorece a la oscuridad nocturna, el corrimiento al rojo de las galaxias. Cuanto más lejos se encuentra una galaxia que se aleja de la Tierra, mas rápido se mueve. Es la ley de Hubble. Y la luz procedente de esta galaxia es más tenue, con menos energía. Esto es lo que significa corrimiento al rojo. El color rojo contiene menos energía que el color azul puesto que su longitud de onda es mayor. A mayor longitud de onda menor frecuencia y el contenido en energía de un fotón de luz es directamente proporcional a su frecuencia. Un poco liado.

Liémoslo un poco más, las galaxias situadas justamente en la superficie del horizonte cósmico tienen un corrimiento al rojo infinito, esto significa que la energía que nos llega procedente de esa zona del universo es cero.

Así pues, la expansión del universo hace decrecer el brillo de las galaxias lejanas haciendo cada vez más oscura la noche …y más brillante la Luna.