Paradoja de Olbers

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Ciencia

En astrofísica y cosmología física, la paradoja de Olbers, llamada así por el astrónomo alemán Heinrich Wilhelm Olbers (1758-1840), también conocida como la "paradoja del cielo nocturno oscuro", es el argumento de que la oscuridad del cielo nocturno entra en conflicto con la suposición de un universo estático infinito y eterno. La oscuridad del cielo nocturno es una de las piezas de evidencia de un universo dinámico, como el modelo del Big Bang.

La paradoja dicta que un universo estático, infinitamente viejo, con un número infinito de estrellas distribuidas en un espacio infinitamente grande sería brillante en lugar de oscuro. Sin embargo, la teoría del Big Bang introduce una nueva paradoja: afirma que el cielo era mucho más brillante en el pasado, especialmente al final de la era de la recombinación, cuando se hizo transparente por primera vez. Todos los puntos del cielo local en esa época eran comparables en brillo a la superficie del Sol, debido a la alta temperatura del universo en esa era; y la mayoría de los rayos de luz terminarán no en una estrella sino en la reliquia del Big Bang.

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Esta paradoja se explica por el hecho de que la teoría del Big Bang también implica la expansión del espacio, lo que puede hacer que la energía de la luz emitida se reduzca a través del desplazamiento al rojo (redshift). Más específicamente, los niveles extremos de radiación del Big Bang se han desplazado hacia las longitudes de onda de microondas (1100 veces la longitud de su longitud de onda original) como resultado de la expansión cósmica, y por lo tanto forman la radiación de fondo de microondas cósmica. Esto explica las densidades de luz relativamente bajas presentes en la mayoría de nuestro cielo a pesar de la naturaleza brillante asumida del Big Bang. El desplazamiento al rojo también afecta a la luz de estrellas y quásares distantes, pero la disminución es menor, ya que las galaxias y los quásares más lejanos tienen desplazamientos al rojo de solo 5 a 8.6.

En el caso hipotético de que el universo es estático, homogéneo a gran escala y poblado por un número infinito de estrellas, entonces cualquier línea de visión desde la Tierra debe terminar en la superficie (muy brillante) de una estrella y, por lo tanto, el cielo nocturno debe Estar completamente iluminado y muy brillante. Esto contradice la oscuridad observada y la no uniformidad de la noche.

El primero en abordar el problema del número infinito de estrellas y el calor resultante en el Cosmos fue Cosmas Indicopleustes, un monje griego de Alejandría, que afirma en su Topographia Christiana: "El cielo hecho de cristal sostiene el calor del Sol, la Luna. y el número infinito de estrellas de lo contrario habría estado lleno de fuego y podría derretirse o incendiarse".

En La oscuridad en la noche: Un enigma del universo (1987), Edward Robert Harrison da cuenta de la paradoja, vista como un problema en la historia de la ciencia. Según Harrison, el primero en concebir algo como esta paradoja fue Thomas Digges, quien también fue el primero en exponer el sistema copernicano en inglés y también postuló un universo infinito con infinitas estrellas. Kepler también planteó el problema en 1610, y la paradoja tomó su forma madura en la obra de Halley y Cheseaux del siglo XVIII. Aunque la paradoja se atribuye comúnmente al astrónomo aficionado alemán Heinrich Wilhelm Olbers, quien la describió en 1823, Harrison muestra convincentemente que Olbers no fue el primero en plantear el problema, y ​​su pensamiento al respecto no fue particularmente valioso.

Solución

La edad finita de las galaxias obviamente restringe la cantidad de luz que han emitido en el espacio intergaláctico. Cuando se formaron las galaxias, hace unos diez mil millones de años, el espacio era probablemente oscuro y, desde entonces, solo se ha acumulado un nivel limitado de brillo. Es bastante fácil de entender. Sin embargo, hay otra manera de interpretar el factor edad, que, aunque es más difícil de entender, es importante porque muestra más claramente la falla en el razonamiento de Olbers y sus colegas. Cuando observamos galaxias, las vemos tal como eran cuando se emitió la luz, debido a la velocidad finita de propagación.

Para galaxias cercanas, solo a unos pocos millones de años luz (distancia), esta vez, el retraso es de unos pocos millones de años (tiempo). Pero para galaxias distantes, el retraso puede ser de miles de millones de años. Y para los muy remotos, puede ser de diez mil millones de años, por lo que en principio podemos ver tales galaxias como eran cuando se formaron. (En la práctica, es muy difícil verlas porque, si están a una orden de diez mil millones de años luz, parecen muy débiles).

Esto implica que solo podemos recibir luz de galaxias a una distancia aproximadamente igual al producto de su edad y la velocidad de la luz. Si pudiéramos mirar más allá, veríamos solo el material del que se formaron las galaxias, que presumiblemente era oscura. Sin embargo, no hay un límite real implicado por esto. La superficie definida por el producto de la edad de las galaxias y la velocidad de la luz es una imagen imaginaria conectada con el desfase temporal. Si pudiéramos ver el universo sin este retraso, es decir, "ahora", veríamos muchas más galaxias, y éstas podrían extenderse indefinidamente. Pero no podemos hacer esto. En cambio, vemos el universo tal como era y solo recibimos luz de esa parte de ella definida por la edad de las galaxias.

Esto significa que una línea de visión no puede extenderse indefinidamente hasta lo argumentado por Olbers y esto proporciona una salida a su paradoja. Resumiendo: si abandonamos uno de los supuestos que conducen a la paradoja de Olbers y tenemos en cuenta la edad finita de las galaxias, vemos que recibimos luz solo de un número finito de ellas, lo que implica un límite correspondiente en el brillo del cielo nocturno.

La expansión del universo significa que la luz de las galaxias remotas se reduce en intensidad en comparación con lo que sería en un universo estático. Esto sucede en parte porque el volumen del espacio intergaláctico aumenta, por lo que la densidad numérica de los fotones disminuye, y en parte porque la energía de los fotones emitidos por las galaxias en retroceso disminuye de acuerdo con el desplazamiento al rojo o el efecto Doppler. Para comprender mejor esto último, es útil recordar cómo el movimiento de la fuente afecta a las ondas emitidas en la acústica y la óptica. Las ondas de sonido de un silbato de tren disminuyen en el tono o la frecuencia a medida que el tren retrocede. De manera similar, las ondas de luz de una galaxia disminuyen en frecuencia o cambian de color a medida que la galaxia retrocede. (El mecanismo de desplazamiento al rojo en la teoría del big bang es en realidad más sutil que esto, e implica una expansión distinta de la velocidad, pero se suele considerar que los dos términos se implican mutuamente y esto también se hace aquí). Por la ley de Planck, la luz más roja es la menos energética.

Entonces, la recesión de las galaxias, además de diluir la luz al aumentar el volumen del espacio, también disminuye su energía intrínseca. Por lo tanto, si abandonamos otra de las suposiciones que conducen a la paradoja de Olbers y tomamos en cuenta la expansión del universo, vemos que la intensidad de la luz intergaláctica se reduce por un efecto de doble barrido, lo que implica una reducción correspondiente en el brillo del cielo nocturno.

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