La negrura de la noche

Virgilio describe el descenso de Eneas y la Sibila al Infierno con este verso insuperado:

Ibant obscuri sola sub nocte per umbram

Es decir:

Iban oscuros bajo la solitaria noche, a través de las sombras

¿Qué raro, no? Hay una transposición de adjetivos. Lo natural sería decir: Iban solitarios bajo la noche oscura. De algún modo la descripción gana intensidad poética de esta manera. La libertad que da el latín para el orden de las palabras, poniendo "sola" delante de "sub" y junto a "obscuri" refuerza el efecto.

Pucha, ¿de nuevo me equivoqué de blog?

No, no. Quería hablar, justamente, sobre la oscuridad de la noche. ¿Por qué la noche es oscura? Parece una pavada, pero no es del todo obvio que el cielo nocturno deba ser oscuro. Se suele llamar paradoja de Olbers a esta cuestión. Olbers fue un médico alemán de principios del siglo XIX, y astrónomo "aficionado" de gran influencia en su tiempo. Ya contamos su papel en el descubrimiento de los asteroides, y en otro momento hablaremos más de él.

La paradoja dice lo siguiente: si el universo fuera infinito, eterno y lleno uniformemente de estrellas, entonces el cielo nocturno no podría ser oscuro. En cualquier dirección que mirásemos nuestra línea visual, más tarde o más temprano, encontraría la superficie de una estrella. Así que vendría luz de todas las direcciones. Es como cuando estamos en un bosque, y en todas direcciones vemos troncos de árboles; más lejos o más cerca, pero lo único que vemos es corteza. Entonces, ¿por qué la noche es oscura?

Tal como ocurre en las demostraciones matemáticas por reducción al absurdo, la respuesta viene por el lado de las suposiciones: o bien el universo no es infinito, o no tiene infinitas estrellas, o no es eterno, o las estrellas no están distribuidas uniformememte. Pero, a diferencia de la matemática, la verdad hay que encontrarla en el mundo real, no en la lógica del razonamiento.

Curiosamente, la respuesta hoy aceptada por la cosmología fue anticipada por Edgar Alan Poe. Sí, el escritor norteamericano, más famoso (con justicia) por sus cuentos de misterio y horror que por su afición a la ciencia, quien lo explica así en su obra Eureka:

La única manera por la cual podemos comprender los vacíos que muestran nuestros telescopios en innumerables direcciones, sería suponiendo que la distancia al fondo invisible sea tan inmensa que ningún rayo de luz proveniente de allí nos ha alcanzado todavía.

Es una explicación sorprendente, porque implica la existencia de un universo dinámico, con una especie de horizonte más allá del cual no podemos ver, ya que la luz se propaga a una velocidad limitada. La luz que viene de más allá del horizonte no ha tenido tiempo de llegar hasta nosotros. El universo podría no ser eterno. Podría tener un origen.

El siglo XX vio convertirse esta especulación literaria en una teoría científca: el universo se originó en un instante lejano en el tiempo, medido actualmente con gran exactitud, y efectivamente hay un horizonte más allá del cual no podemos ver. Es la teoría que popularmente se llama Big Bang. Una de las imágenes más famosas tomadas por el telescopio espacial Hubble es el Ultra Deep Field: una foto de un millón de segundos de exposición, en la que se ven galaxias apenas más cerca que este horizonte. Este pedacito del Ultra Deep Field ilustra el fenómeno. Abarca más o menos el ancho de un pelo sostenido con el brazo extendido. Cada manchita de luz es una galaxia, con sus cientos de miles de millones de estrellas. Cada vez más lejos, más lejos. Y entre galaxia y galaxia: nada. El horizonte. La oscuridad de la noche.

El lector atento no podrá dejar de sospechar que aquí se esconde otra paradoja. Detrás de todas las estrellas, detrás de todas las galaxias, ¿no deberíamos ver el resplandor del Big Bang? Debería haber una "luz más antigua posible", la que viniese del momento en que el universo se volvió transparente. Al principio, mientras la temperatura era tan alta que no existían átomos sino un plasma caliente de protones y electrones, la luz no podía propagarse. Pero al expandirse y enfriarse el plasma se formaron los átomos de hidrógeno y la luz viajó libremente por el espacio. La temperatura era en ese momento muy alta, miles de grados, similar a la superficie de una estrella. ¿Ese resplandor no debería llenar todo el espacio? ¿Por qué no vemos un fondo brillante, en lugar de oscuro? ¿Por qué la noche es oscura? ¿Eh? ¿Poe?

La razón es que el universo siguió expandiéndose, y la expansión del espacio produjo un estiramiento de la longitud de onda de la luz. Hoy, esos mismos fotones, que están viajando desde hace 13 mil millones de años, están tan estirados que los vemos en la región de las microondas en lugar del utravioleta. Representan una temperatura de 270 grados bajo cero: es la negrura del cielo nocturno.

¿Y las otras posibilidades? ¿No podría darse el caso de que las estrellas no estén distribuidas uniformemente? Si las estrellas tuviesen una distribucióm muy heterogénea, por ejemplo organizadas en forma jerárquica, con acumulaciones y vacíos de todos los tamaños, podrían quedar direcciones sin iluminar. Una distribución de este tipo se llama fractal, y se caracteriza por una dimensión que no es un número entero. Ciertamente las estrellas de nuestra galaxia no están distribuidas uniformemente. ¿Qué pasa con la distribución de galaxias? Tampoco es uniforme, sino que forma una especie de espuma. Si la distribución de estrellas (o galaxias) tuviese una dimensión fractal menor que 2, entonces podría haber un fondo oscuro aún en un universo infinito y eterno. Curiosamente la distribución de galaxias obedece a una forma fractal que, de acuerdo a las mejores mediciones, tiene una dimensión aproximadamente 2. La verdad que no me queda claro qué consecuencias podría tener si mejores mediciones concluyeran que la dimensión es efectivamente menor que 2, auque sea por poquito. Habrá que ver.

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Notas, créditos, etc:

"Insuperado" llama Borges al famoso verso de la Eneida en uno de los ensayos publicados bajo el título Siete noches.

No recordaba la premonición de Poe. Me fue recordada por Alberto Rojo durante su reciente Coloquio en el Balseiro. La verdad que leí Eureka hace como 30 años, y no me acuerdo casi nada, excepto que me pareció un plomazo.

El Ultra Deep Field es de la NASA/ESA/STSI. La foto completa abarca más o menos 1 mm² a la distancia de un brazo extendido, y contiene unas 10 mil galaxias. Extiendan una birome al cielo, y con la bolita estarán eclipsando la luz de diez mil galaxias. 

Esta semana el Telescopio Espacial Hubble presentó una nueva versión del Campo Profundo, al que llamaron Extremadamente Profundo. Acumula 2 millones de segundos de exposición. Algún día lo comento.

En Absence of self-averaging and of homogeneity in the large scale galaxy distribution, de Francesco Sylos Labini y otros, se muestra que la dimensión fractal de la distribución de galaxias es 2.1 +/- 0.1.

La imagen de las fluctuaciones del fondo cósmico de microondas es de la NASA/JPL/WMAP. La imagen de la distribución de galaxias es del Sloan Digital Sky Survey, uno de los surveys más ambiciosos de la historia de la astronomía y fuente de los mejores mapas tridimensionales del universo. La foto del bosque es mía, un bosque de nothofagus cualquiera en Bariloche.