¿Por qué el cielo de noche es negro? La paradoja de Olbers

El 7 de mayo de 1823, en Bremen, Heinrich Wilhelm Olbers fechó un ensayo de pocas páginas con una pregunta muy simple: si el universo está lleno de estrellas, ¿por qué la noche es oscura? Olbers era médico, pero de noche subía al observatorio que tenía en su propia casa. Desde allí había descubierto dos asteroides, Palas y Vesta.

No era el primero en preguntarlo. Kepler había usado la noche oscura en 1610 como argumento de que el universo tiene un borde, y el suizo Jean-Philippe Loys de Chéseaux lo había calculado en 1744. Pero el nombre se le quedó a Olbers, y hoy se la conoce como la paradoja de Olbers.

El mismo día, dos lectores del blog me hicieron por separado la misma pregunta, con palabras distintas. Una llegó justo después de leer por qué el cielo es azul, y preguntaba también por el color. Juntando las dos, queda así:

Si hay millones de estrellas, ¿por qué todo sigue negro?

¿Por qué un cielo lleno de estrellas debería brillar?

Porque, si el universo fuera infinito, eterno y lleno de estrellas por todas partes, mirarías donde mirases tu vista terminaría siempre en la superficie de una estrella. El cielo entero brillaría como el Sol, de día y de noche.

Piensa en un bosque muy espeso. Si te paras en medio y miras en cualquier dirección, tarde o temprano tu mirada choca con un tronco. Los árboles cercanos tapan un pedazo grande de la vista, los lejanos se ven delgaditos, pero hay tantos que llenan todos los huecos. Si el bosque no se acaba nunca, no queda ni una rendija por la que ver el cielo.

Con las estrellas pasa lo mismo, y se puede hacer la cuenta. Imagina el universo como una cebolla, con capas del mismo grosor alrededor de la Tierra. Una capa al doble de distancia es más grande: cabe el cuádruple de estrellas. Pero cada una de esas estrellas se ve cuatro veces más débil, porque su luz se reparte en una esfera cuatro veces mayor. Las dos cosas se compensan exactamente. Cada capa de la cebolla aporta la misma cantidad de luz, esté cerca o lejos.

Si las capas no se acaban, la luz tampoco. El resultado no es un cielo con algo más de brillo: es un cielo tan caliente y luminoso como la superficie de una estrella.

Y sin embargo, sales al patio y está oscuro. Algo de este razonamiento está mal.

¿Se come el polvo la luz de las estrellas lejanas?

Esa fue la respuesta de Olbers: entre las estrellas habría polvo y gas que absorben la luz de las más lejanas, como la niebla que no deja ver el final de una carretera. Suena razonable, pero tiene un fallo.

El problema es que nada absorbe luz gratis. Lo que absorbe luz se calienta. Es como cuando dejas una olla negra al sol: al rato quema, porque toda la luz que se tragó se volvió calor. El polvo entre las estrellas, bañado durante un tiempo infinito por la luz de infinitas estrellas, se iría calentando hasta brillar él mismo, tanto como las estrellas que tapa. El inglés John Herschel señaló este fallo apenas unos años después, en 1831.

Me parece que aquí está la clave de toda la historia: la paradoja no se puede esquivar con un truco local. La niebla, las nubes o el polvo solo mueven el problema de sitio. Si el universo fuera infinito y eterno, el cielo tendría que brillar.

Así que la pregunta se vuelve más incómoda. Si el razonamiento está bien, la noche oscura nos está diciendo algo sobre el universo entero.

¿Por qué el cielo es negro, entonces?

Porque el universo tiene una edad. Según las mediciones del satélite Planck, el universo tiene unos 13.800 millones de años, y la luz viaja a unos 300.000 kilómetros por segundo: rápido, pero no infinitamente rápido. Solo nos llega la luz de las estrellas que estaban lo bastante cerca como para que ese viaje cupiera en ese tiempo.

Imagina una fiesta que empezó hace una hora, a la que todos los invitados vienen caminando. Por muy grande que sea la ciudad, a esa hora solo han llegado los que viven cerca. La casa no está llena, no porque falte gente en el mundo, sino porque no ha pasado tiempo suficiente. Con la luz de las estrellas pasa igual: la del resto del universo, si existe, sigue en camino.

Quien primero lo dijo con claridad fue un escritor, Edgar Allan Poe. El 3 de febrero de 1848, ante unas 60 personas en una biblioteca de Nueva York, dio una conferencia que luego publicó como un largo poema en prosa, Eureka. Allí propuso que vemos oscuridad en los huecos porque la luz de las estrellas más lejanas todavía no ha tenido tiempo de llegar. Un crítico lo despachó como un disparate. Poe murió al año siguiente.

Lord Kelvin hizo el cálculo en 1901 y añadió un segundo motivo: las estrellas no viven para siempre. El Sol, por ejemplo, brillará en total unos 10.000 millones de años. Un universo quieto y lleno de estrellas necesitaría del orden de 10^23 años, un uno seguido de 23 ceros, para llenarse de luz hasta brillar como la superficie de una estrella. Ninguna estrella vive tanto, y el universo es billones de veces más joven que eso. En 1964, el astrónomo Edward Harrison mostró que esta es la razón principal de la noche oscura.

Hay un tercer ingrediente, menor: la expansión del universo. Las galaxias se alejan unas de otras, como conté en el artículo sobre el mayor error de Einstein, y eso estira y debilita la luz que viene de lejos. Ayuda a oscurecer el cielo, pero no es lo principal.

¿Es de verdad negro el cielo de noche?

No. El cielo brilla en todas direcciones, de forma casi perfectamente pareja. Solo que lo hace en una luz que el ojo humano no puede ver.

Volvamos a la cebolla. Si miras lo bastante lejos, también miras atrás en el tiempo, porque esa luz salió hace mucho. Mira lo bastante lejos y llegas a una época en la que todavía no había estrellas: unos 380.000 años después del origen, el universo entero era un gas a unos 3.000 kelvin (la escala de temperatura que empieza en el cero absoluto), casi la temperatura del filamento de un bombillo antiguo, y brillaba con una luz parecida, entre blanca y anaranjada. Ese gas llenaba todo. En cualquier dirección que mires, tu vista termina en él.

Creo que aquí está también la respuesta a la parte del color. En cierto modo, Olbers tenía razón: cada línea de mirada acaba en algo que brilla. Pero desde que esa luz salió, el universo se ha estirado unas 1.100 veces, y la luz se estiró con él. Hoy nos llega convertida en microondas, a apenas 2,7 grados sobre el cero absoluto. A esa luz se le llama radiación de fondo de microondas. Como expliqué con el azul del cielo, parte del color del cielo lo pone el ojo. Aquí pasa algo parecido: el cielo no está apagado, brilla en un color para el que no tenemos ojos.

Esa luz entró en millones de casas. En los televisores antiguos, la nieve de un canal vacío venía casi toda del calor del entorno y de los propios aparatos. Pero según el físico Lyman Page, de Princeton, cerca del 1 % de esa nieve era esta luz del universo joven.

La descubrieron por accidente Arno Penzias y Robert Wilson en 1964, en los laboratorios Bell de Nueva Jersey. Su antena captaba un ruido débil que no se iba con nada. Revisaron cables, apuntaron a todas partes y hasta sacaron unas palomas que anidaban dentro de la antena. El ruido seguía, igual en todas las direcciones del cielo: no venía de la antena ni de la Tierra. En 1978 recibieron el Premio Nobel de Física.

¿Cuánta luz hay de verdad en el negro de la noche?

La respuesta de fondo está resuelta: el cielo es oscuro porque el universo tiene una edad y las estrellas también. Lo que todavía se discute es cuánta luz visible hay de verdad en ese negro.

Desde la Tierra es muy difícil medirlo, porque la luz del Sol rebota en el polvo del sistema solar y lo ensucia todo. Por eso, en 2021 y 2022, un equipo usó la sonda New Horizons, que ya estaba más allá de Plutón, para medir lo oscuro que es el espacio lejos de ese polvo. Encontraron unas dos veces más luz de fondo de la que explican todas las galaxias conocidas. Puede venir de galaxias enanas demasiado débiles para verlas una a una, o de algo que todavía no sabemos. Hasta que alguien encuentre la fuente, el negro de la noche tiene una cifra pendiente.

Dónde ver un cielo negro de verdad

Para mí, la mejor manera de sentir esta paradoja es ver un cielo oscuro de verdad, y cada vez es más difícil. Según un estudio de 2016 publicado en Science Advances, más de un tercio de la humanidad no puede ver la Vía Láctea desde donde vive, por la luz de las ciudades.

Si puedes, sal de la ciudad una noche sin luna. Algunos lugares de la región son famosos por su oscuridad:

• El desierto de la Tatacoa, en el Huila, en Colombia.
• El valle de Elqui y el desierto de Atacama, en Chile, donde están algunos de los telescopios más grandes del mundo.
• Cualquier campo lejos de las luces, con veinte minutos de espera para que el ojo se acostumbre.

Y si quieres ayudar a medir cuánto estamos perdiendo, el proyecto Globe at Night pide a cualquier persona que compare las estrellas que ve con unos mapas y envíe el dato desde el teléfono.

Kepler, Olbers, Poe y unas palomas

A esta pregunta le dedicaron tiempo personas muy distintas. Kepler, que la usó hace más de cuatro siglos para darle un borde al universo. Olbers, el médico que miraba el cielo desde el observatorio de su casa y propuso una respuesta equivocada pero honesta. Poe, que acertó desde la literatura y murió sin que nadie le diera la razón. Kelvin y Harrison, que hicieron la cuenta. Y Penzias y Wilson, que sacaron palomas de una antena y encontraron la luz más vieja del universo.

Y ahora dos lectores, que se preguntaron lo mismo que Kepler sin haberlo leído. La respuesta que encontraron él y los demás cabe en una frase: la noche es oscura porque el universo no ha existido siempre.

¿Cuándo fue la última vez que viste un cielo de verdad oscuro, y dónde estabas?