?Cu¨¢ndo fue emitida la luz m¨¢s antigua?

Dos efectos se conjugan para explicar por qu¨¦ la noche es negra. En primer lugar, el tiempo de vida finito de las estrellas y de las galaxias en las que estas se agrupan limita el n¨²mero de fotones emitidos en el universo. En segundo lugar, la expansi¨®n del universo diluye los fotones emitidos, y el desplazamiento hacia el rojo disminuye la energ¨ªa de cada fot¨®n. Un c¨¢lculo detallado demuestra que el primer efecto se impone al segundo, la expansi¨®n reduce en el mejor de los casos a una cuarta parte la intensidad del segundo plano del cielo de un universo supuestamente est¨¢tico. Cabe se?alar, no obstante, que, en el marco del modelo cosmol¨®gico actual, en el que la expansi¨®n se acelera, las galaxias acabar¨¢n alej¨¢ndose m¨¢s r¨¢pido de lo que su luz tarde en llegar a nosotros. Se sumir¨¢n en el olvido, saliendo progresivamente de nuestro universo observable.

M¨¢s informaci¨®n

Priyamvada Natarajan: ¡°Lo bueno de estudiar el cosmos es que las discusiones entre pa¨ªses resultan rid¨ªculas¡±

?Y si vivimos en un multiverso?

El problema de la noche negra nos lleva a preguntarnos sobre el concepto de horizonte cosmol¨®gico. Si el cielo nocturno no es tan brillante como la superficie del Sol, se debe fundamentalmente a que el tiempo de vida finito de los objetos que pueblan el universo solo nos permite ver una ¨ªnfima parte. Como la velocidad de la luz tambi¨¦n es finita, existe un horizonte del pasado, distancia desde m¨¢s all¨¢ de la cual ninguna luz nos ha llegado. Se estima que la luz de la galaxia m¨¢s antigua jam¨¢s observada fue emitida mucho antes de la formaci¨®n del Sol y de la Tierra (que data de hace 4.560 millones de a?os); la medici¨®n del desplazamiento de su luz hacia el rojo indica que fue emitida hace 13.200 millones de a?os.

Las estrellas y las galaxias no son las ¨²nicas fuentes de luz del universo, porque, aunque este siempre ha estado en expansi¨®n, emergi¨® de una fase primitiva durante la cual era muy denso y caliente, una mezcla de protones, electrones y fotones. La luz est¨¢, por tanto, ¨ªntimamente ligada a la materia, porque, difundida constantemente por los electrones libres, cambia constantemente de direcci¨®n.

Todo sucede como en una niebla donde las gotitas de agua difunden la luz y entorpecen su propagaci¨®n. Como en un gas que se licua, la expansi¨®n del universo enfr¨ªa y diluye la materia que contiene. Por debajo de cierta temperatura, la agitaci¨®n de los protones y de los electrones se vuelve bastante d¨¦bil. De ese modo, pueden combinarse para formar los primeros ¨¢tomos de hidr¨®geno neutro. Esta transici¨®n cambia radicalmente el panorama, porque, con la desaparici¨®n de los electrones libres, la luz ya no tiene obst¨¢culos y se propaga libremente, en l¨ªnea recta. La niebla se levanta y el universo se vuelve transparente.

La paradoja de la noche negra adquiere as¨ª un relieve muy especial porque la luz liberada en el momento de la formaci¨®n del hidr¨®geno sigue ba?ando el universo. Fue emitida a una temperatura cercana a la de una estrella. ?Por qu¨¦ no se la ve por doquier en el cielo? Simplemente porque esta radiaci¨®n primitiva ¡ªde la luz inicialmente visible¡ª aument¨® su longitud de onda a causa de la expansi¨®n del universo. Actualmente es perceptible en forma de microondas invisibles a nuestros ojos. La energ¨ªa media de estos fotones primitivos es mil veces m¨¢s d¨¦bil que la de la luz visible, y su flujo luminoso es billones de veces menos intenso que el de las estrellas. Esta ¡°radiaci¨®n f¨®sil¡± ofrece la imagen m¨¢s antigua de nuestro universo. Parece emitida desde una superficie que limita con el universo observable, zona del espaciotiempo m¨¢s all¨¢ de la cual ninguna luz puede llegarnos, porque antes la materia era opaca. Las ¨¦pocas m¨¢s antiguas permanecen veladas para nosotros por un horizonte del pasado cuya luz ha tardado, seg¨²n la estimaci¨®n m¨¢s reciente, alrededor de 13.800 millones de a?os en llegar hasta nosotros.

Las galaxias acabar¨¢n alej¨¢ndose m¨¢s r¨¢pido de lo que su luz tarde en llegarnos. Saldr¨¢n de nuestro Universo observable

(...) Puesto que el horizonte se halla definido por el momento en que la luz se propag¨® libremente en el universo por primera vez, parece parad¨®jico preguntarse si puede verse m¨¢s all¨¢. Sin embargo, podr¨ªa ser posible. Para ello habr¨ªa que diversificar nuestros medios de investigaci¨®n y abandonar la luz para concentrarnos en la m¨¢s evanescente de las part¨ªculas, el neutrino. Comprender el origen de la radiaci¨®n f¨®sil implica remontarse a ¨¦pocas en que la temperatura era de algunos miles de millones de grados. Continuemos este viaje al pasado para considerar un universo cuya temperatura es superior a 10.000 millones de grados; en estas condiciones extremas no puede subsistir ninguna estructura at¨®mica nuclear. El fluido c¨®smico es una mezcla de protones y neutrones, entre los que proliferan electrones, positrones, neutrinos, antineutrinos y fotones. Entre ellos el neutr¨®n es especial. Es una part¨ªcula inestable que, en poco menos de un cuarto de hora, se transforma en prot¨®n, emitiendo un electr¨®n y un antineutrino. Si el neutr¨®n no desaparece r¨¢pidamente es porque a temperaturas elevadas el prot¨®n puede efectuar el cambio inverso, transform¨¢ndose en neutr¨®n y absorbiendo ya sea un antineutrino, ya sea un electr¨®n. As¨ª pues, se establece un equilibrio entre las poblaciones de protones y neutrones.

Debido a la expansi¨®n del universo, la temperatura disminuye. Llega as¨ª un momento en el que se vuelve demasiado baja para que el equilibrio entre protones y neutrones se mantenga, porque los neutrinos dejan de interactuar con la materia y se propagan libremente en el seno del plasma, que se vuelve transparente para ellos. La situaci¨®n es muy parecida a la que prevalecer¨¢ para los fotones cuando la temperatura haya descendido lo bastante como para que se formen los primeros ¨¢tomos de hidr¨®geno. La forma de distribuci¨®n de la energ¨ªa de los neutrinos se establece entonces, y su temperatura desciende al ritmo de la expansi¨®n del universo. Existe, por tanto, una ¡°radiaci¨®n f¨®sil¡± de neutrinos, m¨¢s antigua, cuya temperatura estimada es de 1,95 k¨¦lvines, que da testimonio de las condiciones que reinaban en el universo cuando su contenido era todav¨ªa opaco a la luz, es decir, en ¨¦pocas situadas m¨¢s all¨¢ del horizonte luminoso que hemos definido anteriormente.

?Es posible observar esos neutrinos cosmol¨®gicos? Desgraciadamente la respuesta es no, porque tienen una energ¨ªa muy d¨¦bil, comparable a la de los fotones de la radiaci¨®n de fondo de microondas y porque los neutrinos interact¨²an poqu¨ªsimo con la materia. Ser¨ªa necesario un espesor de plomo superior a un a?o luz para detener a los neutrinos, aun as¨ª 10.000 millones de veces m¨¢s energ¨¦ticos, emitidos por las reacciones nucleares que tienen lugar en el n¨²cleo del Sol. Debido a los escasos progresos realizados en la detecci¨®n de los neutrinos, no tenemos ninguna posibilidad de atravesar el velo del horizonte cosmol¨®gico luminoso. A falta de algo mejor, solo nuestra mente podr¨¢ volver transparente el universo primigenio.

Este texto es un extracto de ¡®Las ideas oscuras de la f¨ªsica¡¯, que Siruela publica el 6 de noviembre. Vincent Bontems es fil¨®sofo de las ciencias y trabaja en el Larsim, el laboratorio de investigaci¨®n sobre ciencias de la materia del Comisariado de la Energ¨ªa At¨®mica (CEA) de Francia. Roland Lehoucq es astrof¨ªsico en el CEA.?