Jak mamy zdjęcia tak odległych galaktyk?

Możliwą odpowiedzią na to jest to, że światło emitowane z galaktyk przemierzyło miliard mil aż do Ziemi, gdzie kosmiczny teleskop Hubble'a podniósł to światło przez swoje czujniki i był w stanie skonstruować obraz galaktyki

ale jeśli to prawda, a galaktyki znajdują się w odległości miliardów kilometrów, czyż cząstki światła emitowane z galaktyk nie powinny być rozrzucone po całym miejscu? przecież podróżowali od milionów lat i prawdopodobnie zderzyli się z asteroidami i innymi ciałami obcymi. Jakie były szanse, że około 95% fotonów faktycznie dotarło na ziemię, dając nam bardzo szczegółowy obraz.

Rozważ galaktykę andromedy, która ma odległość 1,492 × 10 ^ 19 mil od Ziemi. Jeśli światło emitowane z galaktyki porusza się we wszystkich kierunkach, to dlaczego wciąż możemy zmapować całą galaktykę, co widać na poniższym zdjęciu?

Czy nie powinno zabraknąć połowy galaktyki, ponieważ fotony mogłyby trafić w inne obiekty i „nigdy nie dotrzeć na ziemię”?

Są dwa powody, dla których często - ale nie zawsze - światło z galaktyk miliony, a nawet miliardy lat świetlnych przedostaje się przez Wszechświat do nas:

1. Po pierwsze, środowisko międzygalaktyczne (IGM) jest wyjątkowo rozcieńczone. Gęstość cząstek na zewnątrz jest rzędu lub około 26 rzędów wielkości niżej niż powietrze na poziomie morza! Oznacza to, że jeśli weźmiesz pod uwagę rurkę od Andromedy do Drogi Mlecznej o powierzchni przekroju$n\sim10^{-7}\,\mathrm{cm}^{-3}$ , będzie zawierał w przybliżeniu jeden mikrogram materii (dzięki Robowi Jeffriesowi za wyłapaniebłęduwspółczynnika 10 6 ).$1\,\mathrm{cm}^{2}$$10^6$

2. Po drugie, nawet jeśli foton zbliży się do atomu, zostanie zaabsorbowany tylko wtedy, gdy jego energia będzie ściśle pasować do pewnego przejścia w atomie. Ponieważ większość atomów jest zjonizowana (a zatem powinna być nazywana plazmą, ale w astronomii jest to rozróżnienie, jeśli często się go nie robi), nie ma elektronów absorbujących foton. Fotony są bardziej skłonni do interakcji z wolnymi elektronami poprzez rozpraszanie Thomsona, ale przekrój Thomson jest niezmiernie mały , więc nawet jeśli weźmiemy pod uwagęfotony CMB- które podróżowały przez Wszechświat prawie od Wielkiego Wybuchu - tylko około 5% z nich oddziaływało z elektronami na swojej drodze.$(\sim10^{-24}\,\mathrm{cm}^{2})$

Innymi słowy: ilość przepuszczanego światła zależy od dwóch czynników: 1) ilości materii wzdłuż linii wzroku oraz 2) zdolności materii do pochłaniania światła. W IGM oba są niezwykle małe. Kiedy światło dostaje się do ośrodka międzygwiezdnego (ISM) w naszej galaktyce, może napotkać gęstsze chmury z atomami zdolnymi do pochłaniania światła. Ale zwykle (choć nie zawsze) „gęsty” jest nadal bardzo rozcieńczony w porównaniu z ziemską atmosferą.

Zasadniczo, jeśli wiązka światła przechodzi przez obszar cząstek, z których każda ma przekrój (mierzony np. W cm 2 ), przepuszczając N cząstek na obszar wiązki (mierzony np. W cm - 2 ), wówczas nieprzezroczystość medium jest określone przez głębokość optyczną τ , zdefiniowaną przez τ ≡ $\sigma$$^2$$N$$^{-2}$ $\tau$ Przesyłana część f fotonów wynosi wówczas f = e - τ . Zasadniczo σ zależy od długości fali, a zatem część widma może przejść bez przeszkód, podczas gdy inna część może zostać całkowicie pochłonięta.

Poniższy rysunek ( stąd ) pokazuje widmo kwazara leżącego w odległości 22 miliardów lat świetlnych, tj. razy dalej niż Andromeda. Widzicie, że istnieje kilka cienkich linii absorpcji (spowodowanych interweniującymi chmurami wodoru, których gęstość jest o 10-100 wyższa niż IGM), ale wciąż większość światła dociera do nas.$10\,000$

Ponieważ światło, które widzimy z tego kwazara było emitowane tak dawno temu, Wszechświat był wówczas znacznie mniejszy, a zatem gęstość była większa. Niemniej jednak tylko niewielka część jest absorbowana. Im dalej światło jest emitowane, tym dłużej było, co oznacza mniejszy wszechświat i większą gęstość, a tym samym więcej światła jest pochłaniane. Jeśli weźmiesz pod uwagę ten kwazar ( stąd ), który znajduje się 27 miliardów lat świetlnych stąd, zobaczysz, że część widma pochłania znacznie więcej światła. Wciąż jednak dociera do nas dużo światła.

Powód, dla którego pochłaniane są tylko krótkie długości fal, jest dość interesujący - ale to już inna historia.

Jak mówi Rob Jeffries, wszechświat jest w większości pustą przestrzenią. Foton może z łatwością podróżować tysiące lat świetlnych bez interakcji z niczym. Większość interakcji miałaby miejsce, gdy fotony dostały się do ziemskiej atmosfery. Hubble tego unika. Te zdjęcia były najprawdopodobniej z połączenia kilku sesji oglądania, dając zasadniczo dłuższy czas na obserwację galaktyki.

W twoim pytaniu jest nieporozumienie, nie sądzę, aby inne odpowiedzi dotyczyły.

Jeśli światło emitowane z galaktyki porusza się we wszystkich kierunkach, to dlaczego wciąż możemy zmapować całą galaktykę

Światło jest emitowane z galaktyki we wszystkich kierunkach. Tylko niewielka jego część jest kierowana na Ziemię, a nawet jeszcze mniejsza część jest gromadzona przez dowolny teleskop. Ale nadal możemy to zobaczyć, ponieważ galaktyki są bardzo, bardzo jasne. Andromeda zawiera około biliona gwiazd.

Przepraszam, jeśli ta logika wydaje się nieco okrągła, ale możemy uzyskać nieskryte zdjęcia galaktyk, ponieważ są one nieokreślone.

Jak już wspomniano - przestrzeń jest naprawdę bardzo duża i naprawdę bardzo pusta. Trudno nam to przemyśleć, ponieważ tuż obok nas jest tyle rzeczy - ale jest to naprawdę niezwykły stan. Następna gwiazda Słońca znajduje się w odległości ponad 4 lat świetlnych, ale otrzymujemy prawie wszystkie (99,999999999999 ...%) światło, które zmierza w naszym kierunku - to samo ze światłem z większej odległości - otrzymujemy ogromną liczbę fotony wysłane do nas z obiektów bardzo daleko.

Hubble wykorzystuje również proste techniki obiektywu i długich ekspozycji do robienia zdjęć odległych obiektów - dzięki czemu więcej światła jest otrzymywane do skonstruowania obrazu.

Ale z drugiej strony jest prawie niemożliwe zrobienie zdjęcia galaktyki (lub gwiazdy), która znajduje się za inną galaktyką lub chmurą pyłu. Na przykład nie możemy łatwo zobaczyć poza centrum naszej galaktyki, ponieważ na drodze jest dużo pyłu, gazu i gwiazd. Z drugiej strony zdjęcie w twoim pytaniu wygląda na Andromedę, która znajduje się ponad płaszczyzną galaktyki. Nasza galaktyka jest dość cienka w porównaniu do swojej średnicy, i jesteśmy przyzwoitym wyjściem z centrum galaktyki, co oznacza, że ​​jest o wiele mniej rzeczy na drodze.

Są też pewne galaktyki, które sfotografowaliśmy, które są zasłonięte przez pył:

Było już kilka dobrych odpowiedzi, ale chciałbym dodać moje dwa grosze:

Jak mamy zdjęcia tak odległych galaktyk?

Ponieważ nic między nimi a nami nie przeszkadza w świetle docierającym do naszych kamer.

Możliwą odpowiedzią na to jest to, że światło emitowane z galaktyk przemierzyło miliard mil aż do Ziemi, gdzie teleskop kosmiczny Hubble'a podniósł to światło przez swoje czujniki i był w stanie skonstruować obraz galaktyki

Do Saturna jest miliard mil . Właściwie odległość różni się w zależności od orbit, ale zobacz ten artykuł Space.com : „W ich najbardziej odległej odległości, gdy leżą po przeciwnych stronach Słońca od siebie, dzieli je nieco ponad miliard mil (1,7 miliarda km)” . Galaktyka Andromedy jest około piętnastu miliardów miliardów mil. Lub około piętnaście kwintillionów mil.

ale jeśli to prawda, a galaktyki znajdują się w odległości miliardów kilometrów, czyż cząstki światła emitowane z galaktyk nie powinny być rozrzucone po całym miejscu?

Nie zapominaj, że fotony mają charakter fali E = hf. I nawet jeśli są rozproszone w powietrzu, nadal możesz zobaczyć Księżyc. Tak, w przestrzeni jest trochę światła. Ale nie tyle, że nocne niebo jest jakaś pusta, mglista żaba. Możesz też zobaczyć Saturna. I gwiazdy I galaktyki, ale są raczej słabe .

przecież podróżowali od milionów lat i prawdopodobnie zderzyli się z asteroidami i innymi ciałami obcymi. Jakie były szanse, że około 95% fotonów faktycznie dotarło na ziemię, dając nam bardzo szczegółowy obraz.

Szanse są duże. Mamy zdjęcia planet i innych rzeczy, ponieważ szanse są duże.

Rozważ galaktykę Andromedy, która ma odległość 1,492 × 10 ^ 19 mil od Ziemi. Jeśli światło emitowane z galaktyki porusza się we wszystkich kierunkach, to dlaczego wciąż możemy zmapować całą galaktykę, co widać na poniższym zdjęciu?

Gdybym był przykryty światłami, emitowałbym światło we wszystkich kierunkach, a ty byś mnie zobaczył, ponieważ część tego światła trafia do twojego oka. Galaktyka Andomeda jest podobna.

Czy nie powinno zabraknąć połowy galaktyki, ponieważ fotony mogłyby trafić w inne obiekty i „nigdy nie dotrzeć na ziemię”?

Nie. A gdyby połowa fotonów nie dotarła na Ziemię, zobaczyłbyś po prostu galaktykę o słabszej barwie, to wszystko.

Pozwól mi podać kilka prostych wyjaśnień.

Nie nie nie. 95% fotonów nie dociera do Ziemi. Nawet gdyby 5% fotonów emitowanych (w ciągu kilku sekund) tylko przez jedną gwiazdkę, powiedzmy, przez nasze Słońce dotarło do Ziemi, nasza planeta zostałaby całkowicie spalona! Teraz więc Andromeda ma setki miliardów gwiazd (lub słońc). Nic z tego nie dociera, z wyjątkiem nieskończenie małej liczby. To zadziwiające, jak niewielki jest odsetek fotonów, które do nas docierają! Możesz spróbować to z grubsza obliczyć. Bardzo łatwo jest obliczyć, jaki procent fotonów emitowanych przez Słońce dociera do Ziemi. A Słońce jest tylko 8 minut od Ziemi, a Andromeda jest ponad 2,5 miliona lat! Tak więc właściwie nietrudno wyobrazić sobie, ile fotonów do nas dociera.

Dlaczego więc asteroidy, planety lub gwiazdy nie blokują wszystkiego? Andromeda jest zbyt duża, aby ją zablokować! Łatwiej jest zablokować widok na Ocean Spokojny z kosmosu, umieszczając między nimi kilka drobinek kurzu! Średnica Andromedy wynosi ponad 200 milionów lat świetlnych. Czy możemy to zablokować? W rzeczywistości może być zablokowany przez coś tak dużego jak mgławica blisko naszego Układu Słonecznego. Taka mgławica musi mieć wiele lat świetlnych średnicy; musi być wystarczająco gęsty; i nie za daleko. Na szczęście nic takiego nie blokuje naszej pięknej galaktyki. Jednak dzieje się tak w przypadku niektórych innych galaktyk i obiektów kosmicznych. Jeśli chodzi o bardzo odległe mgławice, nie zablokują one Andromedy z naszego widoku, ponieważ będą wyglądać na zbyt małe na tle Andromedy, która jest znacznie dalej.

Dlaczego światło nie jest rozproszone? Dlaczego miałoby być tak rozproszone, żeby Andromeda była rozmyta? Kiedy Księżyc znajduje się na horyzoncie, jego światło przemieszcza się przez setki mil gęstej atmosfery prawie równolegle do powierzchni Ziemi; jednak nadal możemy na nim trenować nasze teleskopy i zobaczyć różne cechy Księżyca. To nie byłby bardzo czysty widok, ale nadal dużo byśmy widzieli. Teraz w kosmosie światło podróżuje przez prawie całkowitą próżnię, szczególnie pusta jest pustka między galaktykami. Nie ma więc powodu, aby światło było zbytnio rozpraszane. Fotony i wiele innych cząstek są wystarczająco stabilne i mogą pokonywać znacznie większe odległości: miliardy lat świetlnych. Innym sposobem spojrzenia na to jest zadanie pytania, o ile fotonów powinno odchodzić od swojej prostej ścieżki, aby Andromeda stała się dla nas rozmyta. Cóż, oni muszą często iść na boki, a średnica Andromedy jest na to zbyt duża. To nie wydaje się logiczne, ponieważ fotony poruszają się w liniach prostych. Duże obiekty, takie jak gwiazdy i czarne dziury, wpłyną na ich ścieżkę, ale średnica Andromedy jest tak ogromna, że ​​nie jest to żadna opcja, chyba że sztucznie umieszczamy biliony czarnych dziur wzdłuż linii między Andromedą a naszym Układem Słonecznym, próbując wypaczać obraz Andromedy lub aby te czarne dziury pochłonęły całe światło z galaktyki! A zatem, gdy astronomowie twierdzą, że większość światła dociera do nas, oznacza to, że przestrzeń międzygalaktyczna jest prawie całkowitą próżnią, a fotony idące dokładnie w naszym kierunku są „wolne”. Jednak tylko nieskończenie mała liczba z nich idzie dokładnie w naszym kierunku i wciąż wystarczy na ładne zdjęcia. Dlaczego? Dlatego: To nie wydaje się logiczne, ponieważ fotony poruszają się w liniach prostych. Duże obiekty, takie jak gwiazdy i czarne dziury, wpłyną na ich ścieżkę, ale średnica Andromedy jest tak ogromna, że ​​nie jest to żadna opcja, chyba że sztucznie umieszczamy biliony czarnych dziur wzdłuż linii między Andromedą a naszym Układem Słonecznym, próbując wypaczać obraz Andromedy lub aby te czarne dziury pochłonęły całe światło z galaktyki! A zatem, gdy astronomowie twierdzą, że większość światła dociera do nas, oznacza to, że przestrzeń międzygalaktyczna jest prawie całkowitą próżnią, a fotony idące dokładnie w naszym kierunku są „wolne”. Jednak tylko nieskończenie mała liczba z nich idzie dokładnie w naszym kierunku i wciąż wystarczy na ładne zdjęcia. Dlaczego? Dlatego: To nie wydaje się logiczne, ponieważ fotony poruszają się w liniach prostych. Duże obiekty, takie jak gwiazdy i czarne dziury, wpłyną na ich ścieżkę, ale średnica Andromedy jest tak ogromna, że ​​nie jest to żadna opcja, chyba że sztucznie umieszczamy biliony czarnych dziur wzdłuż linii między Andromedą a naszym Układem Słonecznym, próbując wypaczać obraz Andromedy lub aby te czarne dziury pochłonęły całe światło z galaktyki! A zatem, gdy astronomowie twierdzą, że większość światła dociera do nas, oznacza to, że przestrzeń międzygalaktyczna jest prawie całkowitą próżnią, a fotony idące dokładnie w naszym kierunku są „wolne”. Jednak tylko nieskończenie mała liczba z nich idzie dokładnie w naszym kierunku i wciąż wystarczy na ładne zdjęcia. Dlaczego? Dlatego: jak gwiazdy i czarne dziury wpłyną na ich ścieżkę, ale średnica Andromedy jest tak ogromna, że ​​nie jest to żadna opcja, chyba że sztucznie umieszczamy biliony czarnych dziur wzdłuż linii między Andromedą a naszym Układem Słonecznym, próbując wypaczyć obraz Andromedy lub żeby te czarne dziury pochłonęły całe światło z galaktyki! A zatem, gdy astronomowie twierdzą, że większość światła dociera do nas, oznacza to, że przestrzeń międzygalaktyczna jest prawie całkowitą próżnią, a fotony idące dokładnie w naszym kierunku są „wolne”. Jednak tylko nieskończenie mała liczba z nich idzie dokładnie w naszym kierunku i wciąż wystarczy na ładne zdjęcia. Dlaczego? Dlatego: jak gwiazdy i czarne dziury wpłyną na ich ścieżkę, ale średnica Andromedy jest tak ogromna, że ​​nie jest to możliwe, chyba że sztucznie umieszczamy biliony czarnych dziur wzdłuż linii między Andromedą a naszym Układem Słonecznym, próbując wypaczyć obraz Andromedy lub żeby te czarne dziury pochłonęły całe światło z galaktyki! A zatem, gdy astronomowie twierdzą, że większość światła dociera do nas, oznacza to, że przestrzeń międzygalaktyczna jest prawie całkowitą próżnią, a fotony, które idą dokładnie w naszym kierunku, są „wolne”. Jednak tylko nieskończenie mała liczba z nich idzie dokładnie w naszym kierunku i wciąż wystarczy na ładne zdjęcia. Dlaczego? Dlatego: chyba że sztucznie umieścimy biliony czarnych dziur wzdłuż linii między Andromedą a naszym Układem Słonecznym, próbując wypaczyć obraz Andromedy lub sprawić, by te czarne dziury pochłonęły całe światło z galaktyki! A zatem, gdy astronomowie twierdzą, że większość światła dociera do nas, oznacza to, że przestrzeń międzygalaktyczna jest prawie całkowitą próżnią, a fotony, które idą dokładnie w naszym kierunku, są „wolne”. Jednak tylko nieskończenie mała liczba z nich idzie dokładnie w naszym kierunku i wciąż wystarczy na ładne zdjęcia. Dlaczego? Dlatego: chyba że sztucznie umieścimy biliony czarnych dziur wzdłuż linii między Andromedą a naszym Układem Słonecznym, próbując wypaczyć obraz Andromedy lub sprawić, by te czarne dziury pochłonęły całe światło z galaktyki! A zatem, gdy astronomowie twierdzą, że większość światła dociera do nas, oznacza to, że przestrzeń międzygalaktyczna jest prawie całkowitą próżnią, a fotony, które idą dokładnie w naszym kierunku, są „wolne”. Jednak tylko nieskończenie mała liczba z nich idzie dokładnie w naszym kierunku i wciąż wystarczy na ładne zdjęcia. Dlaczego? Dlatego: tylko nieskończenie mała liczba z nich idzie dokładnie w naszą stronę i wciąż wystarczy na ładne zdjęcia. Dlaczego? Dlatego: tylko nieskończenie mała liczba z nich idzie dokładnie w naszą stronę i wciąż wystarczy na ładne zdjęcia. Dlaczego? Dlatego:

$40$$33$$-21.5$$5$$1$$2.5^{5-1}=40$$-21.5-5=-26.5$$2.5^{26.5}\approx 40,000,000,000$

Jeśli chodzi o to, jak duże jest na nocnym niebie, cóż, wzdłuż jest około sześć razy większa niż średnica księżyca, ale widać tylko jasną środkową część. Aby zobaczyć cały zakres, potrzebujesz teleskopu o dużej aperturze i fotografii o długiej ekspozycji, aby zebrać więcej światła i uzyskać lepszy, bardziej szczegółowy obraz.

Mam nadzieję, że to prymitywne wyjaśnienie będzie pomocne. Andromeda jest dziś widoczna, jeśli pozwala na to pogoda :)