El cielo que miramos ya no existe
Mirar el cielo es recibir imágenes con retraso. Ocho minutos para el Sol, 2,5 millones de años para Andrómeda, casi toda la historia del Universo para el fondo cosmológico: ¿hasta dónde podemos realmente mirar hacia el pasado?
Hay algo profundamente engañoso en el cielo.
Cuando miro a una persona a pocos metros de mí, mi cerebro puede razonablemente hacer como si la viera “ahora”. La luz tarda tan poco en recorrer esa distancia que el retraso es imperceptible. Pero esta aproximación se derrumba en cuanto las distancias se vuelven astronómicas.
El cielo no es una imagen en directo del Universo. Es una colección de imágenes del pasado.
Y cuanto más lejos miramos, más antiguo es ese pasado.
Ver es siempre mirar hacia atrás
La luz viaja en el vacío a unos 300 000 kilómetros por segundo. Es extraordinariamente rápido, pero no es instantáneo. A escala del Universo, incluso esta velocidad se vuelve terriblemente lenta.
La luz de la Luna tarda unos 1,3 segundos en llegar hasta nosotros. La del Sol tarda unos 8 minutos y 20 segundos en recorrer los aproximadamente 150 millones de kilómetros que nos separan. Cuando miramos el Sol, evidentemente nunca directamente sin protección adecuada, no vemos pues el Sol tal como está en ese preciso instante: vemos los fotones que envió hace unos ocho minutos.
Esta regla no concierne solo a la luz visible. Las ondas de radio, los infrarrojos, los ultravioleta, los rayos X o gamma son también formas de radiación electromagnética y se propagan a esa misma velocidad en el vacío. Un telescopio no observa, pues, nunca verdaderamente un objeto lejano “en directo”.
Se puede resumir este desfase con algunos ejemplos:
| Lo que observamos | Lo que vemos aproximadamente |
| La Luna | hace 1,3 segundos |
| El Sol | hace 8 min 20 s |
| Próxima Centauri | hace unos 4,2 años |
| Centro de la Vía Láctea | hace unos 26 000 años |
| Galaxia de Andrómeda | hace unos 2,5 millones de años |
| Fondo difuso cosmológico | Universo de unos 380 000 años |
En otras palabras, la distancia es también una máquina de remontar el tiempo.
Si el Sol desapareciera, no lo sabríamos inmediatamente
Tomemos un experimento mental imposible: imaginemos que el Sol desaparece instantáneamente.
Durante unos ocho minutos, nada parecería haber cambiado desde la Tierra. Los últimos fotones ya en camino seguirían llegando hasta nosotros. Más extraño aún, en el marco de la relatividad general, el cambio de su influencia gravitatoria tampoco podría llegarnos instantáneamente: las perturbaciones gravitatorias se propagan a la velocidad de la luz. Durante ese lapso, la Tierra continuaría pues su movimiento como si el Sol siguiera allí.
Luego la información nos llegaría.
La oscuridad y el cambio gravitatorio no estarían “retrasados” por culpa de una máquina defectuosa. Este retraso forma parte de la propia estructura del Universo: ninguna información física puede simplemente aparecer en todas partes instantáneamente.
Pero cuidado con el ejemplo del eclipse
Hay aquí una trampa bastante sutil. Se podría estar tentado de decir: “Como veo el Sol con ocho minutos de retraso, cuando aparece un eclipse solar en mi cielo, ya había terminado ocho minutos antes”.
No es exacto.
Un eclipse solar no es un evento que se desarrolle en el Sol. Resulta de la Luna que se interpone entre nosotros y los fotones solares y los bloquea cerca de la Tierra. Los fotones concernidos salieron del Sol efectivamente unos ocho minutos antes, pero la ocultación en sí depende de la posición de la Luna en su trayectoria. Hay que distinguir pues la edad de la luz solar que recibimos del evento geométrico llamado eclipse.
La intuición de partida sigue siendo buena: el Sol que vemos pertenece al pasado. Pero el cielo se vuelve mucho más interesante en cuanto se deja de transformar “ocho minutos de retraso” en una regla demasiado simplista.
Andrómeda: una fotografía de hace 2,5 millones de años
Luego viene Andrómeda.
La gran galaxia de Andrómeda está situada a unos 2,5 millones de años-luz de nosotros. Un año-luz no es una duración: es la distancia recorrida por la luz en un año. Esto significa que los fotones de Andrómeda que llegan hoy a la Tierra partieron de allí hace unos 2,5 millones de años.
Cuando observamos Andrómeda esta noche, la vemos pues tal como era en una época en la que, en la Tierra, ya existían los primeros representantes del género Homo, pero donde nuestra especie estaba aún muy lejos de aparecer.
Y he aquí el vértigo: no sabemos a qué se parece Andrómeda “ahora” observándola desde la Tierra. Probablemente ocurran eventos allí en este momento según nuestra forma habitual de hablar, pero su luz tardará aún millones de años en llegarnos.
Si una estrella de Andrómeda explotara hoy, ningún ser humano que viva actualmente podría ver esa explosión desde la Tierra. Tampoco nuestros hijos. Ni sus descendientes durante un tiempo difícil de concebir.
La información existe quizás ya allí. Simplemente no existe aún para nosotros.
Los telescopios son realmente máquinas de remontar el tiempo
Esto es lo que hace que telescopios como Hubble o James Webb sean mucho más interesantes que un simple “zoom gigante”.
Su objetivo no es solo observar cosas extremadamente lejanas. Al captar luz partida hace miles de millones de años, permiten estudiar épocas diferentes de la historia cósmica.
La NASA describe a Hubble como una especie de máquina de viajar en el tiempo: cuanto más lejano es el objeto observado, más antigua es la época de la que proviene su imagen.
James Webb lleva hoy este principio extremadamente lejos. Observaciones confirmadas por Webb muestran, por ejemplo, la galaxia MoM-z14 tal como existía solo unos 280 millones de años después del Big Bang. Su luz viajó durante unos 13,5 mil millones de años antes de llegar hasta nosotros.
No reconstruimos, pues, solo la historia del Universo a partir de fósiles o simulaciones. Una parte de esta historia llega literalmente hasta nosotros en forma de fotones.
El cielo es un archivo.
¿Entonces se puede mirar lo bastante lejos para ver el Big Bang?
Aquí es donde la idea se vuelve aún más fascinante.
Intuitivamente, se podría pensar que bastaría fabricar un telescopio infinitamente potente. Más lejos significa más antiguo; bastaría pues continuar hasta alcanzar el instante cero.
Pero no.
No podemos ver el Big Bang en sí con luz.
El problema no es la potencia de nuestros telescopios. Es el Universo primordial en sí.
Durante sus primeros cientos de miles de años, el Universo era extremadamente caliente y estaba lleno de un plasma denso de electrones y núcleos atómicos. Los fotones eran constantemente difundidos por las partículas cargadas. El Universo se parecía, para la luz, a una inmensa niebla opaca.
Luego, hace unos 380 000 años después del Big Bang, el Universo se enfrió lo suficiente para que los electrones pudieran ligarse a los núcleos y formar átomos neutros. La luz pudo entonces finalmente viajar libremente a grandes distancias.
Estos fotones siguen viajando.
Los detectamos hoy bajo la forma del fondo difuso cosmológico, o CMB (Cosmic Microwave Background).
Es la luz más antigua que podemos observar. Una verdadera fotografía del Universo cuando solo tenía unos 380 000 años. Las misiones COBE, WMAP y luego Planck han cartografiado esta radiación con una precisión extraordinaria.
No es, pues, del todo:
“Podemos ver el Big Bang.”
Es algo más preciso y, en mi opinión, aún más impresionante:
podemos recibir realmente hoy luz liberada cuando el Universo tenía solo el 0,003 % aproximadamente de su edad actual.
Antes de eso, el Universo es esencialmente opaco a los fotones que usamos para observar el cosmos.
Y el Big Bang no está en algún lugar al fondo del cielo
Hay que librarse de otra imagen mental engañosa.
El Big Bang no fue una bomba que explotó en un lugar preciso en un inmenso espacio vacío. No existe una dirección del cielo hacia la que apuntar un telescopio para mirar “el lugar donde todo empezó”.
Según la cosmología moderna, la expansión ocurrió en todas partes. No existe un centro espacial del Big Bang que pudiéramos localizar. John Mather, premio Nobel y científico del telescopio James Webb, insiste justamente en el carácter engañoso del nombre “Big Bang” cuando evoca la imagen de una explosión con un centro.
Es también por esta razón que el fondo difuso cosmológico nos rodea en todas las direcciones.
Miren muy lejos a la izquierda: Universo joven.
Muy lejos a la derecha: Universo joven.
Arriba: Universo joven.
Debajo de nuestros pies, si la Tierra no bloqueara nuestra vista: aún el Universo joven.
Estamos en el centro de nuestro Universo observable, pero eso no significa absolutamente que estemos en el centro del Universo.
¿Cómo puede el Universo observable medir 92 mil millones de años-luz?
He aquí otra rareza que parece imposible a primera vista.
El Universo tiene unos 13,8 mil millones de años. Se podría pensar, pues, que no podemos observar nada más allá de unos 13,8 mil millones de años-luz y que el Universo observable debería medir como máximo 27,6 mil millones de años-luz de diámetro.
Sin embargo, su diámetro actual se estima en unos 92 mil millones de años-luz.
No hay ninguna contradicción.
Mientras los fotones viajaban hacia nosotros durante miles de millones de años, el propio espacio continuaba expandiéndose. La región de donde partieron algunos de estos fotones está, pues, hoy mucho más alejada de nosotros de lo que estaba en el momento de su emisión.
Es una distinción fundamental entre dos preguntas que parecen idénticas pero no lo son:
“¿Desde hace cuánto tiempo viaja esta luz?”
y
“¿A qué distancia está hoy la región que la emitió?”
A distancias cosmológicas, estos dos números pueden ser radicalmente diferentes.
¿Alguien podría mirar a los dinosaurios en la Tierra?
Esta idea conduce a un magnífico experimento mental.
La luz reflejada por la Tierra hace 66 millones de años está aún en algún lugar del Universo, viajando hacia el exterior.
En teoría, un observador situado a unos 66 millones de años-luz de la Tierra recibiría hoy los fotones partidos de aquí en la época de la desaparición de los dinosaurios no avianos. Con un instrumento ficticio capaz de obtener una resolución totalmente fuera del alcance de nuestras tecnologías, miraría, pues, una Tierra de hace 66 millones de años.
Esto no significa, desgraciadamente, que pudiéramos construir una nave, ir hasta allí y apuntar un telescopio hacia la Tierra para mirar nuestro propio pasado.
Los fotones ya partieron a la velocidad de la luz.
Para alcanzarlos tras su partida, habría que adelantarlos. Pero la relatividad prohíbe a un objeto material simplemente acelerar más allá de la velocidad de la luz en el vacío. El magnífico archivo luminoso de nuestro pasado existe, pues, en algún lugar del espacio, pero se aleja de nosotros a una velocidad que no podemos superar.
¿Y el futuro?
Aquí es donde la asimetría se vuelve importante.
Podemos ver el pasado porque las señales del pasado tuvieron tiempo de llegar hasta nosotros. No podemos observar de la misma manera el futuro, porque los fotones que transportan la información sobre esos eventos aún no han sido emitidos.
En relatividad, se formaliza esta idea con lo que los físicos llaman el cono de luz. Nuestro cono de luz pasado contiene los eventos que pudieron enviar una señal hasta nosotros. Nuestro cono de luz futuro contiene los eventos que las señales que enviamos hoy podrán eventualmente influir.
Y hasta nuestra intuición del “ahora en todo el Universo” debe manejarse con prudencia. La relatividad restringida muestra que la simultaneidad de eventos lejanos depende del referencial del observador: dos observadores en movimiento uno respecto al otro pueden no estar de acuerdo sobre los eventos lejanos que deben considerarse simultáneos.
El tiempo cósmico es, pues, mucho menos intuitivo que nuestra impresión cotidiana de un gran presente universal que avanza en todas partes al mismo ritmo.
Nunca vemos un solo Universo
Cuando levantamos la vista, tenemos la impresión de contemplar un espacio lleno de objetos existiendo todos en el mismo instante.
No es realmente lo que vemos.
La Luna pertenece a nuestro pasado de hace un segundo. El Sol, al de hace ocho minutos. Algunas estrellas nos aparecen tal como eran antes del nacimiento de nuestros bisabuelos. El centro de nuestra galaxia nos llega desde una época anterior a la agricultura. Andrómeda nos muestra un mundo de hace 2,5 millones de años. Y detrás de las galaxias más antiguas se encuentra aún esa luz fósil proveniente de un Universo de solo 380 000 años.
Una sola noche contiene, pues, varios miles de millones de años de historia superpuestos en el mismo cielo.
Pensábamos mirar en el espacio.
En realidad, cada vez que miramos lo bastante lejos, miramos también en el tiempo.