Por la conservación de la energía. Y en parte por la mecánica cuántica. Gracias a la conservación de la energía, una vez que crea una onda electromagnética (que transporta energía), la energía nunca “desaparece” a medida que la onda se propaga. Su densidad de energía se vuelve más y más baja a medida que pasa el tiempo, porque la onda se extiende, por lo que la energía se extiende a un volumen cada vez mayor, pero no desaparece por completo (a menos que la onda golpee algo y se absorba) su energía cambia entonces a la energía interna del objeto que lo absorbió).
Ahora, clásicamente, la ola eventualmente se extendería a una densidad de energía tan baja, que sería completamente indetectable. Sin embargo, aquí viene la parte cuántica: cuando detectas luz débil, la ves no como una onda continua, sino como una corriente de partículas: fotones. La energía de un fotón depende solo de su frecuencia, y no de la densidad de energía de la onda. Por lo tanto, siempre que tenga suficiente sensibilidad para detectar fotones individuales, verá que la luz incluso formará las fuentes más distantes. La baja densidad de energía de la onda significa que los fotones entrarían muy raramente, pero si miras lo suficiente, eventualmente recolectarás suficientes para ver la fuente y hacer una imagen, o medir su espectro.
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