Tiene razón en que es imposible saber cuántos años tiene un solo fotón o qué tan lejos ha llegado.
Afortunadamente para nosotros, los telescopios no observan fotones individuales, observan un flujo completo de ellos provenientes de lo que el telescopio esté mirando. Las estrellas y las galaxias emiten fotones en un rango completo de frecuencias, y los astrónomos pueden enfocar un telescopio en un objeto distante y pasar la luz a través de un prisma para separar las diferentes frecuencias. Cuando lo hacen, ven algo como esto:
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Cada color en el espectro corresponde a una frecuencia diferente de luz. Esos espacios oscuros son frecuencias de luz que faltan. Verá, cada frecuencia (color) corresponde a una cantidad particular de energía transportada por un fotón. Los fotones rojos tienen la energía más baja de toda la luz visible, y el azul la más alta.
Cuando la luz generada dentro de una estrella pasa a través de las capas externas de esa estrella, ciertas frecuencias de luz tienen exactamente la energía suficiente para patear un electrón de uno de los átomos en esas capas externas hasta un estado de mayor energía. Cuando un fotón con esta frecuencia exacta golpea un átomo, se absorbe. Para cuando la luz llega al espacio interestelar, la mayoría de los fotones que tienen esas energías particulares han sido absorbidos. Como resultado, cuando nos llega la luz, vemos brechas oscuras en el espectro. Estas se llaman líneas de absorción . Los vemos cuando miramos cualquier estrella, incluido nuestro propio sol. Cuando miramos una galaxia entera, dado que la mayoría de las estrellas están hechas de la misma mezcla de elementos, vemos esas mismas líneas de absorción.
Entonces, cuando miramos una galaxia distante, vemos las mismas líneas de absorción en su espectro que vemos en nuestro propio sol y estrellas cercanas. Pero aquí está el truco: esas líneas no siempre aparecen en el mismo lugar en el espectro. Cuando miramos algo lejos de nosotros, las líneas siempre se desplazan hacia el extremo rojo del espectro.
Este misterio desconcertó a los astrónomos durante décadas, y fue estudiado por Edwin Hubble. Él midió cuidadosamente las distancias a varias galaxias cercanas (no voy a explicar cómo lo hizo) y observó el cambio en sus líneas de absorción, y descubrió una regla simple: el cambio en las líneas espectrales es exactamente proporcional a la distancia de nosotros. Cuanto más lejos está una galaxia de nosotros, más se desplaza su espectro hacia el rojo. Entonces podemos medir qué tan lejos está una galaxia distante midiendo el desplazamiento al rojo en las líneas de absorción de su espectro . En honor a este descubrimiento, Hubble recibió un impresionante telescopio espacial que lleva su nombre.
Los científicos todavía estaban desconcertados sobre por qué esto debería ser así, hasta que Georges Lemaître propuso una explicación. Teorizó que el espacio se está expandiendo a un ritmo constante, y lo ha estado desde el comienzo del Universo. ¡Esto implica que todo en el Universo se está separando de todo lo demás, y cuanto más lejos están, más rápido se están separando! (Tenga en cuenta que esto no se aplica a una galaxia o incluso a un cúmulo local de galaxias, ya que la gravedad las mantiene unidas de manera estable. Solo se aplica cuando estamos mirando cosas demasiado lejanas para estar gravitacionalmente unidas a nosotros). Aunque este trabajo revolucionó la ciencia de la cosmología y proporcionó una explicación sólida para las observaciones de Hubble, Lemaître no ha sido honrado por tener ningún instrumento científico importante nombrado después de él, posiblemente porque era un teórico en lugar de un experimentalista.
De todos modos, cuando miramos un objeto distante, estamos mirando algo que se aleja de nosotros con bastante rapidez. Esto significa que la frecuencia observada de cada fotón disminuye, haciendo que todos los fotones se vean más rojos. Este es el mismo “cambio doppler” que hace que suene un silbato de tren en un tono más bajo cuando el tren se aleja de usted. Todo el espectro de la luz se desplaza hacia el rojo, incluidos los huecos. La diferencia en la velocidad relativa debido a la expansión del Universo es proporcional a la distancia que la luz ha viajado para llegar aquí, y dado que la luz viaja a una velocidad constante, también es proporcional al tiempo que la luz ha viajado para llegar aquí . (Nota: desde entonces, los cosmólogos han confirmado la expansión del espacio mediante otras observaciones, y también han descubierto que la expansión no es realmente constante sino que se ha acelerado con el tiempo, lo que requiere un ajuste a nuestras distancias calculadas para las galaxias más lejanas observadas).
Entonces, al medir el desplazamiento al rojo en las líneas de absorción de luz que proviene de una galaxia distante, podemos calcular con un grado razonable de precisión qué tan rápido se aleja esa galaxia de nosotros y, por lo tanto (suponiendo que nuestra curva modelada para el la expansión del Universo con el tiempo es correcta) qué tan lejos está y cuánto tiempo hace que se emitió la luz. No podemos distinguir nada de un solo fotón, pero cuando observamos un flujo completo de fotones, esta información puede deducirse de las frecuencias medidas de los espacios en el espectro.
¡Esto me parece absolutamente fascinante y sorprendente! ¡Gracias por hacer esta pregunta!
