Esta pregunta que puede parecer sencilla, pero es un problema cosmológico famoso, conocido como la paradoja de Olbers. Heinrich Olbers fue un astrónomo alemán que popularizó este problema en 1826.

Podrías pensar que esta questión se puede explicar simplemente con el efecto de la distancia pero no es así. Para comprender completamente el problema, imagina una distribución uniforme de estrellas iguales en capas concéntricas alrededor de la Tierra, como capas alrededor de un punto. La misma cantidad de luz debe llegar a la Tierra desde cada capa, porque aunque la cantidad de luz que nos llega desde cada estrella disminuye con la distancia, la cantidad de estrellas en cada capa aumenta, equilibrando efectivamente el efecto atenuador de la distancia. 

Entonces, la cantidad de luz que se pierde en la distancia no explica la oscuridad de la noche. El oscurecimiento por el polvo cósmico tampoco es la respuesta, ya que cualquier polvo en el camino de la luz se calentaría y eventualmente volvería a irradiar.

La mayoría de los cosmólogos modernos se han basado en dos teorías para explicar la oscuridad:

1. El primero establece que el desplazamiento al rojo, que indica que el espacio en sí se está expandiendo, disminuye la cantidad de luz que nos llega.
2. La otra explicación, generalmente considerada la principal, es que el universo no es infinitamente viejo. Si lo fuera, el cielo sería de hecho infinitamente brillante, porque la luz de todos los puntos del universo habría tenido tiempo (una eternidad) para viajar a todos los demás puntos.

Hasta donde sabemos, no hay límites en el universo, solo un límite temporal. La edad finita del universo limita la cantidad de luz que vemos.

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Para conocer la distancia de una galaxia muy lejana a la Tierra se analiza las variaciones que ha sufrido la luz

¿Cómo lo harías tu para medir la distancia de una galaxia lejana a la Tierra? De entrada, midiendo la luminosidad de la galaxia lejana, ¿no? Si brilla más, está más cerca y si es más tenue está más lejos. Pues no. Las galaxias, como las estrellas, pueden tener más o menos luminosidad y esto no está directamente relacionado a su distancia a la Tierra. Además tenemos el problema añadido de la expansión del universo que nos altera la medición de esa distancia.

Para calcular su distancia se utiliza el «desplazamiento hacia el rojo» o corrimiento al rojo (redshift en inglés). Éste es un fenómeno que sucede debido a que el universo se está expandiendo y lo utilizaremos a nuestro favor para medir la distancia de una galaxia lejana a la Tierra.

La técnica usada para medir la expansión del universo es el «desplazamiento hacia el rojo»

Una galaxia emite un haz de radiación electromagnética hacia la Tierra (que contiene la luz que podemos ver con nuestros ojos). En este artículo hablaremos de luz para simplificar. Mientras esta luz viaja hacia la Tierra el espacio se continúa expandiendo. Debido a que tarda millones de millones de años en llegar a nosotros y el espacio se está expandiendo, también se expande la longitud de esta onda de radiación. Lo que provoca un decremento de la frecuencia de la radiación electromagnética (la longitud de onda y la frecuencia son dos parámetros de la radiación que son inversamente proporcionales, cuanto mayor es la frecuencia menor es la longitud de onda y al revés). Se dice desplazamiento al rojo porque el rojo es el color con una frecuencia más baja que el resto, como se puede ver en la imagen.

Más información para entender como funcionan las ondas.

Este fenómeno se le llama efecto Doppler. Pasa lo mismo con las ondas sonoras cuando una ambulancia se aleja y se oye una sirena más grave o se acerca y se oye la sirena más aguda. ¡Fíjate la próxima vez que oigas una ambulancia!

La luz al transmitirse por el universo cambia debido a que el universo se está expandiendo. Como el universo expande las ondas que se transmiten lo que hacen es cambiar el color la luz.

Si medimos el color de la nueva luz que nos llega a la Tierra podemos descubrir la expansión del universo des de que se emitió la luz. Pero también podremos estimar la edad del universo cuando se emitió la luz des de la galaxia. Con la diferencia en el color entre la luz que nos llega a la Tierra y la luz producida inicialmente, podremos medir la expansión que se ha producido en el universo en el tiempo que ha tardado en llegar la luz a la Tierra.

Para medir la distancia a una galaxia lejana usamos la técnica de Lyman Break.

Hasta aquí hemos visto que el desplazamiento al rojo es el fenómeno que nos ayuda a determinar la expansión del universo, midiendo el haz de luz emitido por una galaxia lejana. Ahora nos preguntamos: ¿Cómo podemos saber el color exacto de la luz producida inicialmente por esta misma galaxia? Para saber más, sigue leyendo.

Cuanto mayor sea el desplazamiento hacia el rojo o la diferencia de color medida, más atrás en el tiempo estamos «mirando». Esto se puede medir a partir de todas las ondas que nos llegan. Todas las galaxias emiten un haz de radiaciones a muchas frecuencias distintas. Lo que se llama el espectro de frecuencias. Dentro de estas frecuencias se encuentra la luz de distintos colores. La luz con menor frecuencia es de color rojo. Incrementando la frecuencia encontramos por orden: naranja, amarillo, verde, azul, violeta y finalmente ultravioleta.

La técnica para saber la luz inicial de una galaxia lejana se llama «Lyman Break Technique«, que se basa en buscar las «brechas» en el espectro de frecuencia que se recibe. Es decir, hay una parte del espectro que se ha absorbido y no llegamos a ver. Esta brecha en el espectro es debido al hidrógeno del universo que absorbe unas frecuencias concretas de la luz: la luz ultravioleta (UV), y las otras las deja igual. El hidrógeno es un elemento que se encuentra en abundancia en el universo y lo que hace es bloquear la luz ultravioleta, por eso no nos llega a la Tierra.

Si la galaxia que observamos des de la Tierra estuviera lo suficientemente lejos, podríamos ver toda la luz excepto la ultravioleta porque el hidrógeno la habría absorbido.

Anteriormente hemos visto que como el universo se expande, la luz inicial de una galaxia muy lejana se estira/expande al travesar el universo hasta llegar a la Tierra, cambiando de color la luz hacia una menor frecuencia (en dirección hacia el rojo, porque es el color que tiene la frecuencia más baja).

Ejemplos de casos que nos podríamos encontrar

• Si la galaxia está un poco más lejos que antes, por culpa del «desplazamiento al rojo» (o redshift) la luz ultravioleta se transforma en luz azul, la azul en verde, la verde en amarilla, la amarilla en naranja, la naranja en roja, la roja en infraroja… y así sucesivamente.
• Pero la luz ultravioleta ya se había absorbido por el hidrógeno en el espacio, por lo tanto no nos llegará luz azul. En este caso des de la Tierra no llegaríamos a ver ni ultravioleta ni azul, pero todas las demás sí.
• Si la galaxia está aún más lejos, ahora la luz azul se transforma en verde mientras todos los otros colores también se ven afectadas por el desplazamiento al rojo y también se mueven. Como la luz azul se había bloqueado por el hidrógeno mucho antes y esta se ha transformado en luz verde, en este caso no veremos ni la luz ultravioleta, ni azul, ni verde.

En función de la distancia que ha recorrido la luz emitida por la galaxia, la parte de espectro que se ha absorbido será más o menos hacia la luz roja. Cuanto más lejos está la galaxia que observamos, más hacia el rojo estará la brecha de absorción y cuanto más cerca, menos absorción habrá y por tanto, solo se habrá absorbido la parte UV.

Para medir qué parte del espectro se ha absorbido y qué no y así saber lo lejos que está una galaxia se utilizan filtros de color como los de la imagen que nos indican si llega luz o no en ese color. Cuánto más lejos está la galaxia respecto a la Tierra más colores se habrán bloqueado y no quedará ninguna luz.

NOTA: es el espacio del universo el que se expande, no las galaxias o nebulosas o estrellas. Éstos se quedan bastante estacionarios donde están, lo que sucede es que aumenta el espacio entre ellos.

En resumen, para explicarlo en un párrafo. Como el universo se expande, tenemos que la luz se va hacia el rojo (de ultravioleta a azul, de azul a verde, de verde a amarillo, etc.). Con esto sabemos cuánto se ha expandido el universo. Ahora para saber la distancia exacta, sabemos que la luz ultravioleta se va y deja una brecha. Esta brecha va bajando hacia el rojo hasta dejar una brecha muy muy grande donde no hay luz si la galaxia está muy muy lejos. Si la galaxia está más cerca, la brecha será más pequeña.

Enlaces de interés

High-Redshift Radio Galaxies

Astronomers discover the most distant galaxy in the Universe

The First Galaxies

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