Dlaczego gołym okiem nie widzimy odległych galaktyk?

Jeśli światło wciąż podróżuje w linii prostej, dlaczego nie możemy zobaczyć odległych galaktyk gołym okiem? Z pewnością, jeśli gapisz się wystarczająco długo, światło z nich w końcu trafi w twoje oko? Przepraszam, jeśli to głupie pytanie :)

Z pewnością, jeśli gapisz się wystarczająco długo, światło z nich w końcu trafi w twoje oko?

Zbieranie światła przez długi czas to sposób, w jaki teleskopy mogą widzieć bardzo słabe obiekty. Ludzki system wzrokowy nie działa w ten sposób.

Po pierwsze, nawet jeśli myślisz, że na coś patrzysz, twoje oczy wciąż trochę tańczą. Jest to wbudowana odpowiedź zwana mikrotremorami oka. Te mikrotremory wydają się być istotną częścią funkcjonowania systemu wizyjnego.

Po drugie, twoje oko nie zbiera i nie może zbierać światła przez dowolnie długi okres czasu (tak jak teleskop fotograficzny). W oku i po drodze do mózgu zachodzi ogromna ilość przetwarzania sygnału. To przetwarzanie sygnału zależy od zbierania światła przez krótki czas.

Nasz system wizyjny ewoluował, aby widzieć żywność, przyjaciół i niebezpieczeństwa w dobrze oświetlonych warunkach. Jesteśmy bardzo dobrzy w widzeniu ruchu w świetle dziennym. Nie jesteśmy tak dobrzy w widzeniu nieruchomych obiektów i wcale nie jesteśmy dobrzy w widzeniu ledwo widocznych źródeł pod bardzo ciemnym niebem.

Astronomia gołego oka jest ograniczona naturą ludzkiego systemu widzenia. Najodleglejszym obiektem, jaki możemy zobaczyć, jest Galaktyka Trójkąta, i to tylko w warunkach wyjątkowo ciemnego i wyjątkowo czystego nieba.

Wcale głupie pytanie, ale w rzeczywistości jesteś może zobaczyć odległe galaktyki gołym okiem. Z półkuli północnej Galaktyka Andromeda, nasza największa sąsiadująca galaktyka, jest widoczna, jeśli wiesz, gdzie ją szukać, i znajduje się w dość ciemnym miejscu. Z półkuli południowej widoczne są dwie mniejsze, ale bliższe, nieregularne galaktyki zwane Małymi i Dużymi Obłokami Magellana.

Powodem, dla którego odległe galaktyki nie są widoczne, jest prawo odwrotnych kwadratów : gdy cząstki światła (fotony) oddalają się od galaktyki (lub dowolnego innego źródła światła), są one rozmieszczone na coraz większej powierzchni. Oznacza to, że detektor (np. Twoje oko) z danego obszaru wyłapie mniej fotonów, im dalej zostanie on umieszczony z galaktyki. Prawo mówi, że jeśli w przedziale czasowym tt wykrywa średnio, powiedzmy, 8 fotonów w odległości D, to w tym samym przedziale czasu w odległości 2D wykrywa 8/2 ² = 2 fotonów. W odległości 4D wykryje 8/4 ² = 0,5 fotonów. Lub, równoważnie, potrzeba będzie dwa razy więcej czasu, aby wykryć pojedynczy foton.

Najważniejsze jest to, że w zasadzie widzisz bardzo odległe galaktyki, ale fotonów jest tak mało i przybywają tak rzadko, że twoje oko nie jest wystarczająco dobrym detektorem. Zaletą teleskopu jest to, że 1) ma większy obszar niż oko, oraz 2) możesz umieścić aparat w jego punkcie ogniskowym zamiast oka i zrobić zdjęcie z dużym czasem ekspozycji, tj. Zwiększając Δt.

Twoje rozumowanie byłoby ważne nie tylko dla galaktyk, ale także dla gwiazd i wszystkiego, co świeci we Wszechświecie, ale istnieje ważny efekt, który je unieważnia: pochłanianie światła.

Międzygalaktyczne i międzygwiezdne środowisko jest wypełnione pyłem i gazem, co przyczynia się do pochłaniania i rozpraszania światła z odległych obiektów. Zwłaszcza na płaszczyźnie naszej Galaktyki wciąż mamy dużo gazu i pyłu (Droga Mleczna jest stosunkowo młodą galaktyką): rzeczywiście, aby spojrzeć na odległe obiekty, staramy się skierować nasze teleskopy w kierunku Otworu Lockmana , ilekroć jest to możliwe.

Jest to szczególnie ważne w przypadku światła o niskich częstotliwościach: przy wyższych energiach rozpraszanie i absorpcja promieniowania rentgenowskiego i gamma ze standardowej ilości materiału pochłaniającego jest znikoma (nawet jeśli im bardziej odległe spojrzenie, tym młodsze obiekty, tym więcej jest dostępny pył i gaz, który wciąż nie jest zamknięty w gwiazdach).

Rozważ też paradoks Olbersa , który wskazuje, że rozszerzający się Wszechświat odpowiada za „ciemne niebo”.

1. Kilka fotonów - masz małe źrenice. Tylko fotony, które zdołają podróżować tak daleko na tak dużej odległości wzdłuż ścieżki, która zdoła przeciąć się z twoimi małymi źrenicami, będą miały szansę być widoczne. I tylko niektóre fotony, które docierają do siatkówki, faktycznie oddziałują z cząsteczkami, które rejestrują ich przybycie.

2. Zakłócenia - cząsteczki atmosfery, pył w atmosferze, odbicie / załamanie oka, pył w układzie słonecznym, chmura Oorta, pył międzygwiezdny w naszej galaktyce, pył w przestrzeni międzygalaktycznej, dowolna cząsteczka w całym na ścieżce, wszystkie mogą pochłonąć dowolny z kilku fotonów i ponownie emitować je w innym kierunku.

3. Stabilność - Teleskopy, zwłaszcza takie jak Hubble, mogą być naprawdę, naprawdę wciąż porównywane do twoich oczu. Nie tylko twoje oczy ciągle robią drobne zmiany, ale oddychasz, a twoje serce bije i inne rzeczy uniemożliwiają tworzenie bardzo słabych obrazów.

4. Ekspozycja - pierwszy obraz głębokiego pola Hubble'a został zebrany w ciągu około 100 godzin ekspozycji . Może to być trudne dla twoich oczu.

5. Retencja - czas ekspozycji wpływa na to, ile zatrzymywanych jest „danych” o tym, gdzie fotony uderzyły w powierzchnię rejestrującą. Twoje oczy nie będą pamiętać, że foton zarejestrowany w receptorze jeszcze minutę wcześniej. Twoje oczy wcale nie są dobre na „fotografowanie”.

6. Zanieczyszczenie światłem / powszechna ekspansja - Wszechświat rozwija się od miliardów lat. W miarę rozszerzania światło rozchodzące się w przestrzeni „bardziej” rozciąga się na czerwony koniec widma widzialnego. W przypadku odległych galaktyk oznacza to skutecznie, że światło widzialne z nich przesunęło się wystarczająco daleko, by być podczerwonym i niewidocznym, zanim dotrze tutaj. Teraz światło ultrafioletowe również się przesunie, a niektóre z nich staną się „widoczne”. Ale potem zaczyna mieszać się z jakimkolwiek rozproszonym efektem „zanieczyszczenia światłem”, gdy dotrze do naszej atmosfery. Twoje oczy wcale nie są dobre w śledzeniu, które fotony pochodzą z jakich źródeł.

Prawdopodobnie istnieją inne czynniki, ale może są one wystarczające, aby wskazać, jak duży jest problem. Zauważ, że wczesny 100-godzinny obraz Hubble'a był wielką niespodzianką dla astronomów. Nawet przy dużych wcześniej dostępnych teleskopach zbierających światło nie byli w stanie uzyskać wystarczającej ilości światła, aby uzyskać przydatne dane. Że wcześniejszy sprzęt miał znacznie większe źrenice niż twoje, bardziej wrażliwe powierzchnie obrazowania i mógł „siedzieć nieruchomo” znacznie dłużej niż ty; i nadal miał problem z odległymi galaktykami.

Tylko dlatego, że możesz mieć otwarte powieki $x$ sekundy nie oznaczają, że zbieracie światło $x$sekund i używając go do utworzenia jednego obrazu w mózgu. Jak „zapisałbyś” zdjęcie? Jak zdecydowałbyś, kiedy zakończyć lekką kolekcję? Wiesz tak dobrze jak ja, że ​​nie możesz po prostu podnieść palca ze spustu migawki mózgu!

I to na szczycie wszystkich innych czynników, jak wyjaśniono w innych odpowiedziach (ale chciałem omówić ten konkretny punkt nieco dalej niż inne odpowiedzi).

Myślę, że twoje pytanie dotyczy zmiany tego, co jest znane jako „paradoks Oblera” - mianowicie jeśli wszechświat jest nieskończony, dlaczego nocne niebo nie jest białe, gdy prędzej czy później nasza linia wzroku uderza w gwiazdę, a nawet jeśli jest bardzo daleko byłyby tam nieskończone gwiazdy.

Odpowiedź brzmi: (a) Wszechświat nie jest nieskończony, lub (b) Wszechświat nie był tu na zawsze, więc nawet jeśli jest nieskończony, światło z bardzo daleka jeszcze nas nie dociera.

Przypadek (b) jest ogólnie akceptowany - tj. Wszechświat rozpoczął skończony czas temu w „Wielkim Wybuchu” - chociaż (a) jest kwestionowane - tzn. Może być tak, że wszechświat nie jest nieskończony.

Czy człowiek może zobaczyć pojedynczy foton?

Ludzkie oko jest bardzo wrażliwe, ale czy widzimy pojedynczy foton? Odpowiedź jest taka, że ​​czujniki w siatkówce odpowiadają pojedynczemu fotonowi. Jednak filtry neuronowe pozwalają tylko na przekazanie sygnału do mózgu w celu wywołania świadomej odpowiedzi, gdy co najmniej około pięć do dziewięciu dotrze w ciągu mniej niż 100 ms. Gdybyśmy mogli świadomie zobaczyć pojedyncze fotony, doświadczylibyśmy zbyt dużego „szumu” wizualnego w bardzo słabym świetle, więc ten filtr jest konieczną adaptacją, a nie słabością.

Zgodnie z tym artykułem http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Quantum/see_a_photon.html

Ponieważ nie zawsze jest to możliwe w przypadku odległych galaktyk, nie możemy zobaczyć odległych galaktyk.

Odpowiedź na rdzeń pytania jest już zadowalająca, ale nadal interesujące jest zilustrowanie, jak trudno jest obserwować gołym okiem niezwykle jasną pobliską galaktykę M81. Astronom Brian Skiff relacjonuje udaną obserwację tej galaktyki gołym okiem tutaj .

Teraz galaktyki o danej jasności są trudniejsze do zauważenia niż gwiazdy o tej samej jasności z powodu ich rozszerzonej natury. Jeśli niebo jest wystarczająco ciemne, możesz zobaczyć gwiazdy o jasności 8 magnitudo, ale nadal będziesz miał problem z dostrzeżeniem M81 o jasności 7 magnitudo. Jasność 7 to sztuczna figura uzyskana przez dodanie światła, które nadchodzi z nieco innych kierunków.

Ponadto potrzebujesz tylko niewielkiej ilości zanieczyszczenia świetlnego, aby tło nieba było odrobinę szare, aby galaktyka zniknęła z pola widzenia, podczas gdy widoczność słabych gwiazd pozostaje zasadniczo niezmieniona. Wynika to z faktu, że jasność w zależności od pozycji na niebie w przypadku gwiazdy ma bardzo silny i wąski szczyt, natomiast w przypadku galaktyki, ze względu na swoją rozszerzoną naturę, nie wykazuje dużego szczytu. Zintegrowana jasność może być taka sama w obu przypadkach, ale ilość światła w tle, której potrzebujesz, aby galaktyka była niewidoczna, jest oczywiście znacznie mniejsza niż potrzebujesz dla gwiazdy.