Pensándolo bien...
La teoría más aceptada sobre el origen del Universo, describe el comienzo a partir de una singularidad. Ahora bien, el número de fotones en el Universo es finito. Aunque el Universo contiene una enorme cantidad de fotones, especialmente debido a la radiación cósmica de fondo generada poco después del Big Bang, la cantidad es limitada porque está vinculada a eventos físicos que han ocurrido desde el inicio del universo. Cada proceso de emisión de luz genera fotones, pero esos eventos tienen un límite, lo que hace que el número total de fotones no sea infinito. Además, la cantidad de energía disponible en el Universo también es finita, lo que impone una restricción adicional.
Aunque el Universo comenzó a partir de una singularidad, el de fotones no podría ser infinito. La singularidad representa un punto de la densidad con infinita y una escala espacial infinitesimal, pero a la medida que el universo comenzó a expandirse tras el Big Bang, la energía total se distribuyó, y esa energía es energía finita. La expansión del Universo y los eventos físicos, como la aniquilación de partículas, la formación de estrellas y la radiación cósmica de fondo, generan fotones, pero todos estos procesos están determinados por la cantidad de energía disponible. Aunque el número de fotones es gigantesco y sigue aumentando a medida que las estrellas emiten luz, sigue siendo finito.
La idea de una cantidad infinita de fotones implicaría energía infinita, lo cual no es consistente con nuestras teorías actuales del universo, que apuntan a que tanto la energía como la materia son limitadas. Así, incluso partiendo de una singularidad, el número de fotones en el universo sigue siendo finito.
La tarea de contarlos puede resultar estrambótica, por inusual o increíble que pueda parecer, pero la han realizado unos investigadores del Clemson College of Science en Carolina del Sur. Proponen la cifra de 4 x 1084 los fotones producidos en los 13.700 millones de años transcurridos desde el Big Bang. Lo han logrado con el concurso de Fermi, el Telescopio Espacial de Rayos Gamma de la NASA. Este telescopio mide los rayos gamma y determina la interacción de éstos con la niebla cósmica, el polvo interestelar y toda la luz que emiten las estrellas, desde la infrarroja, hasta la ultravioleta, incluyendo la visible.
Los blazares se destacan como una de las fuentes de energía más poderosas del universo y son una subclase de los objetos conocidos como cuásares. Son un tipo de núcleo galáctico activo (AGN, por sus siglas en inglés) extremadamente luminoso, que está asociado con agujeros negros supermasivos ubicados en el centro de galaxias elípticas. Los blazares se caracterizan porque su chorro relativista, que es un flujo estrecho de partículas cargadas que se mueve casi a la velocidad de la luz, está orientado casi directamente hacia la Tierra. Este chorro se origina cerca del agujero negro supermasivo y es responsable de la intensa emisión de energía en todo el espectro electromagnético, desde ondas de radio hasta rayos gamma. Esto hace que los blazares sean extremadamente brillantes y variables, cambiando su luminosidad en escalas de tiempo que pueden ir desde minutos hasta días. Hay dos categorías principales: los BL Lacertae, que tienen líneas de emisión débiles o prácticamente ausentes, lo cual dificulta la identificación de su espectro y los cuásares de tipo óptico plano (FSRQ, por sus siglas en inglés), que tienen líneas de emisión más fuertes y un espectro óptico más complejo. Los blazares emiten radiación en todo el espectro electromagnético, desde radiofrecuencias hasta rayos gamma. Esta radiación se debe principalmente a los procesos físicos dentro del chorro relativista, como la radiación sincrotrón y la dispersión Compton inversa. Su luminosidad varía rápidamente en escalas de tiempo cortas, lo cual es una característica distintiva de los blazares. La orientación del chorro hacia la Tierra provoca un refuerzo Doppler, que hace que la luz sea más brillante debido al movimiento relativista de las partículas hacia nosotros. Suelen tener radiación polarizada, tanto en las frecuencias ópticas como en radio, lo que indica que sus campos magnéticos juegan un papel importante en el proceso de emisión. Son de gran interés para los astrónomos porque permiten estudiar fenómenos astrofísicos extremos y entender mejor cómo funcionan los agujeros negros supermasivos. Además, los blazares están relacionados con la astronomía de rayos gamma y son importantes para el estudio de los rayos cósmicos de alta energía, ya que se cree que sus chorros pueden ser una de las fuentes de estas partículas.
En el trabajo mencionado, se estudiaron hasta 739 galaxias que contienen agujeros negros supermasivos o blazares, midiendo los niveles de fotones de rayos gamma contenidos en los chorros de ultraalta velocidad producidos por aquéllos y fue posible no sólo estimar la densidad de la niebla cósmica circundante en un lugar determinado sino también calcularla para un momento determinado en la historia del universo. Como los fotones de rayos gamma que viajan a través de una niebla de luz estelar tienen una gran probabilidad de ser absorbidos, midiendo cuántos fotones fueron absorbidos, pudieron medir el espesor de la niebla y también medir, en función del tiempo, cuánta luz había en todo el rango de longitudes de onda.
Imagen creada con ayuda de ChatGPT con DALL-E
El trabajo es un logro, porque hasta hace bien poco la densidad de la luz de fondo extragaláctica, es decir, la que no incluye los rayos gamma, solo podía determinarse de forma aproximada y, con el concurso del Telescopio Fermi, las determinaciones son mucho más precisas. Analizando las emisiones de los blazares a diferentes distancias de la Tierra, se ha determinado la luz total que proviene de las estrellas en diferentes momentos de tiempo, llegando incluso al momento que corresponde a las primeras estrellas. Así se logró reconstruir una historia cósmica con detalle.
El reciclaje de energía, materia (incluyendo metales) constituye un gran ciclo cósmico genitor del motor del universo. Todos los elementos, incluidos los necesarios para la existencia de la vida están implicados en la evolución de las estrellas. Por otro lado, el trabajo ha concluido en una valoración de un Universo con poca iluminación, pese a la extraordinariamente gran cantidad de fotones del inicio.
El número de fotones tiene mucha importancia cosmológica, porque es mucho mayor que el número de partículas como protones y neutrones. La proporción de fotones a bariones es aproximadamente 109 a 1, lo que es fundamental para entender la evolución temprana del universo. El universo observable está dominado casi en su totalidad por los fotones de la radiación cósmica de fondo. Este enorme número refleja la naturaleza expansiva y energética del Universo desde su origen en el Big Bang.
Es importante tener en cuenta que esta es una estimación para el universo observable, que es la parte del Universo a la que podemos acceder mediante la luz que ha tenido tiempo suficiente para llegar a nosotros desde el Big Bang. Más allá del Universo observable, no podemos determinar cuántos fotones existen debido a la imposibilidad de observar regiones más allá de los límites actuales de nuestra capacidad de detección.
Un incremento en el número de fotones podría implicar un aumento en la energía total del universo, y esto parece contradecir el principio de conservación de la energía que establece que la energía total debería ser constante desde el Big Bang. Sin embargo, en Cosmología, el concepto de conservación de la energía es más complejo debido a la expansión del universo y a las leyes de la relatividad general de Einstein. No hay conservación global de la energía en un universo en expansión, porque en la relatividad general, que es la teoría que describe la gravedad en el contexto cosmológico, la energía no se conserva globalmente en un universo dinámico y en expansión. A diferencia de la física clásica, donde la energía total en un sistema cerrado se conserva, en cosmología este principio no se aplica de la misma manera. La expansión del espacio afecta la energía, porque a medida que el Universo se expande, la energía de los fotones disminuye debido al corrimiento al rojo cosmológico. Esto significa que la longitud de onda de los fotones se estira, y su energía (que es inversamente proporcional a la longitud de onda) disminuye.
El incremento del número de fotones y energía total, se concreta en la emisión de nuevos fotones, ya que las estrellas y galaxias emiten fotones constantemente, aumentando el número total de fotones en el universo. Sin embargo, esta energía proviene de la conversión de masa en energía dentro de las estrellas a través de procesos como la fusión nuclear. Por otro lado, se mantiene el balance energético, ya que aunque se crean nuevos fotones, la energía total asociada a estos procesos está equilibrada por la disminución de masa en las estrellas. No se está creando energía "nueva" desde la nada; simplemente se transforma de una forma a otra, respetando el principio de conservación de la energía a nivel local. Los fotones del fondo cósmico de microondas (CMB) pierden energía debido al corrimiento al rojo, lo que significa que la energía total de estos fotones disminuye con el tiempo.
La naturaleza de la energía en el Universo, se perfila en la relatividad general y no existe una definición única y global de la energía total del Universo que se conserve. Esto se debe a que la curvatura del espacio-tiempo y la expansión del universo afectan cómo medimos y entendemos la energía. El primer principio (la conservación de la energía) se aplica en sistemas cerrados y en contextos donde el espacio-tiempo es estático. En un Universo en expansión, este principio no se puede aplicar de la misma manera. Aunque podría parecer que la energía total debería ser igual a la del Big Bang, en cosmología esto no es necesariamente cierto debido a la expansión del universo y a cómo se define la energía en la relatividad general. Además de la materia y la radiación (fotones), el Universo contiene energía oscura y materia oscura, que también afectan el balance energético total y la dinámica del Universo.
En suma, el incremento en el número de fotones en el universo no implica una violación del principio de conservación de la energía en el contexto cosmológico porque la energía de los fotones existentes disminuye debido al corrimiento al rojo, compensando parcialmente la energía añadida por nuevos fotones. Por otro lado, la conservación de la energía no se aplica globalmente en un Universo en expansión bajo la relatividad general, y, finalmente la energía se transforma de masa a radiación en procesos estelares, sin crear energía de la nada. Así, aunque el número de fotones en el Universo aumenta y la energía asociada a ellos cambia, esto no contradice las leyes físicas debido a la naturaleza dinámica del universo y a cómo la relatividad general describe la energía y su conservación en un contexto cosmológico. La expansión acelerada del universo, atribuida a la energía oscura, añade otra capa de complejidad al balance energético del universo. Comprender cómo funciona la energía en el Universo en expansión es fundamental para la Cosmología y nos ayuda a explicar observaciones como el corrimiento al rojo de galaxias lejanas y la evolución del Universo desde el Big Bang.
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