Para la mayoría de nosotros, preguntarnos por qué el cielo nocturno es oscuro resulta poco menos que una obviedad. Quizás, encandilados por la luz del Sol, no encontramos otra razón más allá de su ausencia.

No obstante, muchos dirigieron su atención hacia la oscuridad del cielo. Los antiguos Incas construían afanosamente oscuras figuras con las sombras que rodean a las estrellas e inventaban “constelaciones negras” salpicadas de tanto en tanto por brillantes puntos de luz.

Vincent Van Gogh se desesperaba pintando con igual pasión cielo y estrellas en su Noche estrellada (1889) o en la Terraza del café de la Place du Forum en Arlés por la noche (1888).

En ambos casos, la oscuridad del cielo nocturno adquiría cierta relevancia y, si bien parecía ser el resultado de un fenómeno conocido, no pasaba desapercibida por ello.

Claro que ni los antiguos Incas, ni el famoso pintor, llegaron a imaginarse lo que algunos filósofos, científicos y hasta un conocido escritor razonaran acerca de la oscuridad de la noche.

Sobre la calle, la hilera de focos lustra el asfalto con luz mortecina.
(Dibujo de Elisa Kolodziej)

De Aristóteles a Newton

El Universo aristotélico era finito, cerrado y, por tanto, delimitado. En el pensamiento medioevo occidental, existían esferas concéntricas de cristal que albergaban a los planetas y en la última de ellas yacían resplandecientes las estrellas. En este Universo, la oscuridad del cielo se explicaba naturalmente a sí misma y no había por qué dudar.

La modernidad y Copérnico (1543) ponen al Sol como centro del Universo y la Tierra se convierte de pronto en un planeta como cualquier otro que gira a su alrededor. Las esferas aristotélicas tambalean y sucumben ante proposiciones como la de Digges (1576) quien sugiere un Universo ilimitado, pleno de estrellas a distintas distancias.

Giordano Bruno, "hereje impenitente, pertinaz y obstinado" según la abominable sentencia de la Inquisición, también traza conjeturas sobre un Universo infinito poblado de soles muy parecidos al nuestro hacia fines del siglo XVI y responde por ello en la hoguera, quemado vivo y despojado de la palabra, con su lengua aferrada a una prensa de madera, en las romanas tierras del Campo di Fiori.

En 1687 Newton da a conocer una nueva imagen del Universo, unificando la mecánica de Galileo y las leyes de Kepler sobre el movimiento de los planetas. La nueva teoría, basada en la Ley de Gravitación Universal junto a sus tres leyes del movimiento, lograba explicar y sintetizar lo que hasta ese entonces era poco más que una masa informe de datos y observaciones.

La gran síntesis realizada por Newton también generaba nuevos interrogantes y Bentley plantea en 1692 algo que no podía pasar inadvertido. Puesto que la fuerza gravitatoria es siempre atractiva, en un Universo finito las estrellas terminarían colapsando sobre su centro de masas. Presuroso, Newton responde que el Universo debía ser infinito, estando la materia que lo compone repartida uniformemente en él, de tal forma que todas las fuerzas se anulen entre sí evitando el irremediable colapso.

Pero Newton no reparó en un detalle. Si bien la imagen del Universo que él había construido contenía a las leyes de Kepler, su razonamiento se contradecía con lo que este último autor escribiera en 1610: “... en un Universo infinito las estrellas llenarían los cielos vistos por nosotros”.

Explicar lo inexplicable

Si bien, durante los siglos XVIII y XIX la noción de un Universo infinito, eterno y con estrellas repartidas en forma homogénea predominaba, todo esto se oponía a la más trivial de las observaciones, ya contenida en los escritos de aquél viejo astrónomo: el cielo nocturno era oscuro.

La paradoja que surgía era muy simple: si el Universo era infinito y estaba poblado por infinitas estrellas repartidas uniformemente por doquier, cada vez que miramos hacia el cielo, tarde o temprano, nuestra vista debiera encontrar una fuente de luz. Sin embargo, en la noche, la bóveda celeste no brillaba como era de esperar...

Más aún, todo lo que aquí se expresa en palabras, suponiendo esto o aquello, puede ser rigurosamente calculado asumiendo la cosmología de Newton. Así, en 1720 Halley cumple en poner los puntos sobre las íes. Si suponemos un casquete esférico rodeando a la Tierra, como una esfera de Aristóteles, de un cierto grosor y a una distancia muy grande, tomando en cuenta que las estrellas se reparten uniformemente en él, según la imagen de Newton, resulta que el número de estrellas es proporcional al radio del casquete al cuadrado. Si, además, consideramos que la intensidad de la luz que nos llega de una estrella es uniforme e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que nos separa de ella, cuando sumamos la contribución de todas las estrellas del cascarón esférico resulta que la luminosidad total del mismo es constante e independiente de su radio... por lo tanto, si el Universo es infinito, tendríamos infinitos casquetes de igual luminosidad, y ¡el cielo debiera brillar por las noches!

Como siempre, cuando algo falla, comienzan los intentos por explicar lo que parece inexplicable. Halley mismo propone que la luz se debilita mucho más cuanto más lejos está una estrella y Cheseaux (1744) supone que existe una sustancia denominada éter, no del todo transparente, que consume a la luz de las estrellas en su viaje.

Quizás Olbers (1823), haya hecho la contribución más interesante a esta problemática y, por ello, la paradoja del cielo oscuro es referida en la literatura como la paradoja de Olbers. Pero, ¿qué hizo Olbers para que esta paradoja lleve su nombre? En primer lugar, debemos decir que no la resolvió, que contribuyó a difundir la conjetura de Cheseaux y quizás, la refinó, sugiriendo que la ausencia de luz se debería a la absorción por parte de nubes de gas frío y oscuro existentes entre las estrellas y nosotros, evitando el brillo de cada punto del cielo. Pero, definitivamente, todo esto no es lo suficientemente interesante como para que aquella paradoja ancestral lleve su nombre. La contribución de Olbers fue hacer popular el problema, difundirlo en forma clara, darlo a conocer y quizás, con justicia, por eso es que hoy lleva su nombre.

La argumentación de Chesaux y Olbers en cuanto a la existencia de material absorbente que bloquearía la luz de las estrellas no parecía descabellada. Sin embargo, John Herschell, haciendo pie en la termodinámica, mostró que había problemas con esta argumentación. Si una nube absorbe luz, aumenta su energía interna y su temperatura crece. Si partimos de un supuesto Universo infinito pleno de estrellas, cada nube absorbería tanta energía que su temperatura aumentaría hasta el punto de comenzar a brillar por sí misma y el cielo nocturno, una vez más, debería resplandecer.

Una y otra vez, pensar en un Universo infinito repleto de estrellas conducía ineludiblemente a resultados que nada tenían que ver con aquello que el más desprevenido observador podía apreciar en una noche cualquiera: el cielo nocturno, sea como sea, seguía siendo oscuro.

Un filósofo entra en escena

Parecía que no había más salida que considerar un Universo finito, tratando de encontrar algún mecanismo que evitara el irremediable colapso gravitatorio.

En el ingenioso modelo de Universo propuesto por Thomas Wright en 1750, las estrellas se encontraban más o menos uniformemente distribuidas en un plano infinito y el Sol estaba contenido en él. Entonces, al mirar en dirección perpendicular al plano sólo se veían pocas estrellas alejadas unas de otras, mientras que al observar en la dirección del plano se podía ver una multitud de estrellas distribuidas según una franja que rodea a la bóveda celeste... y ésta es justamente la apariencia de la Vía Láctea en el cielo nocturno.

El filósofo Immanuel Kant (1724-1804) conocía el modelo de Wright del Universo plano y, al pensar en la teoría de la gravitación universal de Newton, rápidamente se dio cuenta de que ambas eran incompatibles.

El problema fundamental consistía en tratar de explicar cómo se sostiene toda la estructura de la Vía Láctea evitando que colapse sobre sí misma como producto de la atracción gravitacional entre los cuerpos celestes. Kant propuso que la Vía Láctea, el Universo conocido hasta ese entonces, podría mantenerse estable si las estrellas estuvieran distribuidas sobre un disco finito, aplanado y en rotación, de manera tal que las estrellas todas describieran inmensas órbitas alrededor del centro de la Vía Láctea y la fuerza centrífuga evitara el colapso final.

Llegado a este punto podríamos decir que, puesto que este Universo en rotación era finito, había un número finito de estrellas, permitiendo que la noche sea negra como debe ser. Era una posibilidad...

Pero el filósofo, con inexorable libertad de pensamiento y audacia, fue mucho más allá, y propuso una nueva hipótesis que dejaba nuevamente en pie la paradoja del cielo oscuro.

Kant (1755) razonó que si la Vía Láctea era un conglomerado finito de millones de estrellas con forma de disco, entonces era posible que existan otras Vías Lácteas, semejantes a la nuestra y muy lejanas, tan lejanas que se verían como manchas luminosas circulares o elípticas, objetos que ya estaban siendo observados por los astrónomos y que Kant denominó “Universos-Islas” o galaxias, según su denominación actual.

Imagen obtenida por el Telescopio Espacial Hubble de la Galaxia del Remolino (M 51).

Si la hipótesis de Kant era correcta, entonces la paradoja del cielo oscuro debería ser planteada con galaxias más que con estrellas, pues serían éstos los objetos que conforman la estructura básica de este nuevo Universo que imaginaba el audaz filósofo, y seguiría clamando insistentemente por una solución aceptable.

Galaxias en lugar de estrellas

Todavía a principios del siglo XX, Shapley defendía la idea de que la Vía Láctea, la única conocida hasta entonces, era el Universo completo.

En 1919 Edwin Hubble decide estudiar cuidadosamente a la nebulosa de Andrómeda y observó que la nube informe contenía un conjunto inmenso de estrellas, el cual incluía a una cefeida, astro cuyo brillo varía en forma tan regular que permite determinar la distancia a la que se encuentra. De esta manera, usando la cefeida como faro cósmico, Hubble pudo calcular con cierta precisión la distancia que nos separaba de la nebulosa de Andrómeda y resultó ser la más grande medida jamás. Andrómeda pasó, entonces, a ser el objeto más lejano de la Tierra y, dado su tamaño, se constituía en una galaxia distinta a la nuestra... era, efectivamente, otro Universo-Isla en este nuevo Universo que Kant había predicho muchos años antes.

La paradoja de Olbers adquiría un nuevo encanto y, también, mayor complejidad. Por donde quiera que uno mire, si el Universo era infinito, ahora encontraría galaxias en lugar de estrellas.

El Universo a gran escala es estadísticamente homogéneo y está compuesto por cúmulos de galaxias. En esta imagen del Telescopio Espacial Hubble se observa una región representativa del espacio profundo. En ella se pueden distinguir galaxias de diversas formas y colores

Todo se torna más rojo cuando el espacio se estira

Hubble, sospechando todo esto, fue mucho más allá y, alentado por su descubrimiento, se dedicó a buscar otras galaxias. Los nuevos desarrollos en espectroscopía le permitieron observar que las galaxias más alejadas brillaban con luz más rojiza que la que debían tener. Apoyado en un fenómeno ya conocido por los físicos para las ondas sonoras, el efecto Doppler, y midiendo el enrojecimiento de los objetos celestes pudo estimar su velocidad,  concluyendo que se alejaban de la Tierra más rápido cuanto más lejos se encontraban. Hubble nos estaba diciendo en 1929 que el Universo, tal como lo conocíamos, no estaba inmóvil sino que se encontraba en expansión. A rigor de verdad, deberíamos decir que no es que las galaxias, los cúmulos y supercúmulos de galaxias, tengan movimientos propios de separación, en realidad es el espacio el que se expande globalmente, produciendo lo que se ha dado en llamar corrimiento al rojo cosmológico...  pero esto ya es otra historia.

Todo se corre hacia el rojo cuando el espacio que nos separa se estira
(Dibujo de Elisa Kolodziej)

Ahora bien, ¿qué tiene que ver todo esto con la paradoja del cielo oscuro que Olbers divulgara tan claramente para su tiempo?

En primer lugar recordemos que la luz es una onda electromagnética y que la distancia entre dos “crestas” seguidas de una onda se denomina “longitud de onda” y está relacionada con su color. Así, la luz roja tiene una longitud de onda más larga que la amarilla, y ésta que la azul. Por si esto fuera poco, hay formas de luz con longitudes de onda muy cortas tales como el ultravioleta o los rayos X o muy largas, como el infrarrojo o las ondas de radio, todas ellas invisibles para nosotros.

Teniendo en cuenta esto, como la luz recorre un Universo que se está expandiendo, la radiación de las galaxias más lejanas transita un espacio que se estira, lo que alarga su longitud de onda y hace que la luz tienda a ser más roja.

Entonces, si la distancia a una galaxia es muy grande, la expansión también lo es, y la luz que emite logra “enrojecerse” tanto que puede transformarse en una onda infrarroja o de radio, saliendo del rango de longitudes de onda visibles y, por lo tanto, dejando de contribuir al brillo del cielo nocturno. Por lo que ya tendríamos un principio de solución a la tan mentada paradoja... pero hay más.

El Universo que podemos ver

Si tenemos galaxias que se separan, en algún tiempo anterior debieron estar muy juntas, tremendamente juntas. Actualmente, se acepta como modelo de origen del Universo a la teoría del Big Bang o Gran Explosión, hecho sucedido según estimaciones hace unos 15.000 millones de años. Por lo tanto, y dado que la velocidad de la luz es finita, nuestro Universo observable llega hasta una esfera de unos 15.000 millones de años luz de radio, esto es, la máxima distancia recorrida por la luz de las galaxias que nacieron poco después del Big Bang. ¿Qué significa esto? Simplemente, que si existen objetos mucho más lejanos, su luz todavía no ha tenido tiempo de llegar hasta nosotros.

Así, para resumir, podemos decir que aunque el número de objetos luminosos del Universo sea infinito, el número de galaxias cuya luz nos alcanza es limitado y, además, la intensidad luminosa que recibimos es también menor cuanto más lejos están, hasta desaparecer por completo del rango visible.

La respuesta a la paradoja de Olbers, en términos actuales, es que la cantidad de galaxias en el Universo observable, puesto que tiene una edad finita, no es suficiente para hacer brillar el cielo nocturno.

Curiosamente, quien primero imaginó esta solución fue el escritor Edgar Allan Poe, que en su obra Eureka: un Poema en Prosa (1848) escribía: “La única forma {...} de entender los huecos que nuestros telescopios encuentran en innumerables direcciones, sería suponiendo una distancia al fondo invisible tan inmensa, que ningún rayo proveniente de ahí fue todavía capaz de alcanzarnos”.

Evidentemente, la inocente pregunta de los más pequeños: ¿por qué la noche es oscura?, hizo tambalear en todas las épocas, una y otra vez, el supuesto edificio bien estructurado y sólido del conocimiento científico, siendo, sin lugar a dudas, uno de los interrogantes más difíciles de responder en la historia de la ciencia.