Як у нас поки що фотографії галактик?

38

Можлива відповідь на це полягає в тому, що світло, що випромінюється з галактик, пройшов мільярд миль на всьому шляху до Землі, де космічний телескоп-хабл підняв це світло через свої датчики і зміг побудувати зображення галактики

але якщо це правда, а галактики віддалені мільярдами миль, чи не повинні світлові частинки, що випромінюються з галактик, розсіяні всюди? зрештою, вони подорожували мільйони років і, ймовірно, зіткнулися з астероїдами та іншими сторонніми предметами. Які шанси на те, що близько 95% фотонів дійсно досягли Землі, даючи нам дуже детальне зображення.

Розглянемо галактику андромеду, яка має відстань 1,42 × 10 ^ 19 миль від землі. Якщо світло, випромінюване з галактики, подорожує в усі сторони, то як же ми все ще можемо скласти карту всієї галактики, видно з фото нижче?

Чи не хотілося б, щоб половина галактики була відсутньою, оскільки фотони могли вражати інші об’єкти, і "ніколи не дійшли до землі"?

galaxy light photography

— K Спліт X
джерело

22

Тому що простір багато в чому саме такий. Вся передумова вашого запитання - що світло, ймовірно, щось взаємодіє - невірна.

— Роб Джефріс

24

@KSplitX Ви йдете про це не так. Звідси ми можемо побачити галактику, бо між ними нічого немає. (Тобто той факт, що ми можемо бачити це звідси, є свідченням того, що нічого немає.) Якщо є галактики, які затьмарюються чимось між ними, то ми їх не могли б побачити, ні.

— Містер Лістер

14

Світло від галактик проїхало мільярд миль? Вибачте, але мільярд миль ледве проходить вас через орбіту Сатурна :-) Щодо того, чому ми можемо бачити галактики на відстані мільярд і більше світлових років, 1) Вони випромінюють багато фотонів; 2) ми використовуємо великі дзеркала, щоб зловити якомога більше фотонів; і 3) ми дивимось на той самий проміжок неба протягом сотень годин (для зображень на полі Хаббла з глибокого поля), щоб збирати фотони. Дійсно, в реальному часі майже нічого не можна побачити на ділянках неба, на які вони дивляться - це частина причини, чому їх обрали.

— jamesqf

24

Передумова цього питання є досить хорошим прикладом аргументу від особистої недовіри (я не можу зрозуміти, наскільки X може бути правдою, тому я сумніваюся, що X є правдою).

— Оскар Браво

21

"Простір великий. Дійсно великий. Ви просто не повірите, наскільки він великий, надзвичайно чудовий."

— ПлазмаHH

51

Є дві причини, які часто - але не завжди - світло від галактик, що мільйони і навіть мільярди світлових років, проходять через Всесвіт і до нас:

Частка кількість і частинок розміру

По-перше, міжгалактичне середовище (ІГМ) надзвичайно розбавлене. Щільність числа частинок там порядком , або приблизно на 26 порядків нижче, ніж повітря на рівні моря! Це означає, що якщо розглядати трубу від Андромеди до Чумацького Шляху з площею поперечного перерізу $n\sim10^{-7}\,\mathrm{cm}^{-3}$ , він буде містити приблизно один мікрограм речовини (завдяки Робу Джеффрісу, що виявивпомилкуфактора ). $1\,\mathrm{cm}^{2}$ $10^6$
По-друге, навіть якщо фотон наблизиться до атома, він буде поглинатися лише в тому випадку, якщо його енергія буде близько збігатися з деяким переходом в атомі. Оскільки більшість атомів є іонізованими (і тому їх слід називати плазмою, але в астрономії відмінність, якщо часто не робиться), не існує електронів, які поглинають фотон. Фотони швидше взаємодіють із вільними електронами через розсіювання Томсона, але перетин Томсона надзвичайно малий , тому навіть якщо врахуватифотони CMB- які подорожували по Всесвіту майже з часу Великого вибуху - лише близько 5% з них взаємоділи з електронами на своєму шляху. $(\sim10^{-24}\,\mathrm{cm}^{2})$

Іншими словами: Кількість пропущеного світла залежить від двох факторів: 1) кількості речовини по лінії зору і 2) здатності речовини поглинати світло. У ІГМ обох надзвичайно мало. Коли світло входить в серед зоряної середовища (ISM) всередині нашої Галактики, він може зіткнутися з більш щільними хмарами з атомами, які здатні поглинати світло. Але зазвичай (хоча і не завжди) "щільний" все ще дуже розбавлений порівняно з земною атмосферою.

Математичний вираз

Загалом, якщо промінь світла проходить область частинок, кожна з перетином (вимірюється, наприклад, в см ), пропускаючи частинок на площу променя (вимірюється, наприклад, в см ), то непрозорість середовище задається оптичною глибиною , визначеною $\sigma$ $^2$ $N$ $^{-2}$ $\tau$ Передаються фракція фотонівто Взагалі залежить від довжини хвилі, і тому частина спектру може проходити безперешкодно, тоді як інша частина може повністю поглинатися.

τ \equiv N σ .

$\tau \equiv N \, \sigma.$

f

$f$

f = e^{- τ} .

$f = e^{-\tau}.$

σ

$\sigma$

На малюнку нижче ( звідси ) показаний спектр квазара, що лежить на відстані 22 мільярди світлових років, тобто разів далі, ніж Андромеда. Ви бачите, що існує кілька тонких ліній поглинання (спричинене втручанням водневих хмар, щільність яких на 10-100 більша, ніж ІГМ), але все ж більша частина світла приводить нас до нас. $10\,000$

Оскільки світло, яке ми бачимо з цього квазару, випромінювалося так давно, Всесвіт була значно меншою на той час, і, отже, щільність була більшою. Тим не менш, лише невелика частка поглинається. Чим далі випромінюється світло, тим довше воно було, що означає менший Всесвіт і більшу щільність, і тим більше поглинається світло. Якщо ви розглядаєте цей квазар ( звідси ), який знаходиться на відстані 27 мільярдів світлових років, ви бачите, що набагато більше світла поглинається в частині спектру. Однак все-таки багато світла проникає до нас.

Причина того, що поглинаються лише короткі довжини хвилі - досить цікава - але це вже інша історія.

— пела
джерело

3

2 \times 10^{24}

$2\times 10^{24}$

^{2}

$^2$

2 \times 10^{18}

$2\times 10^{18}$

4 \times 10^{- 6}

$4\times 10^{-6}$

На жаль, дякую @RobJeffries. Я не знаю, як я пропустив мільйонний фактор. Гадаю, я повинен перестати робити розрахунки в голові. Я відредагую.

— пела

2

Чи правильно сказати, що квазар знаходиться на відстані 20 мільярдів літ, коли Всесвіту менше 14 мільярдів років? Зараз це може бути так далеко, але ми говоримо про світло, яке ми вимірюємо від нього, яке не випромінювалося з цієї відстані. Я думаю, що трохи оману.

— mao47

3

@ Mao47: Це досить звичайно, коли мова йде про відстані до даного космологічного об'єкта, посилатися на відстань до цього об'єкта в даний час . Відстань, яку він мав, коли він випромінював світло, яке ми бачимо сьогодні, є менш цікавим, але його легко знайти: Наприклад, останній квазар, про який я згадую, лежить на червоному зміні z = 5,82. У заданому червоному зміні z все було фактором (1 + z) ближчим один до одного, ніж сьогодні, тому відстань до цього квазару становило 27 Gly / (1 + 5.82) = 4 Gly (незважаючи на те, що Всесвіт був лише 1 Gyr у час).

— пела

Чи є у вас посилання на пояснення того, чому поглинаються лише короткі довжини хвилі?

— Бета-розпад

24

Як каже Роб Джеффріс, Всесвіт - це переважно порожній простір. Фотон може легко подорожувати тисячі світлових років, не взаємодіючи ні з чим. Більшість взаємодії відбулося б, коли фотони потрапили в земну атмосферу. Хаббл цього уникає. Ці фотографії, швидше за все, поєднували декілька сеансів перегляду, що дало в основному більш тривалий період спостереження за галактикою.

— дмм
джерело

5

Галактики спостерігалися понад 200 років до Хаббла, що просто показує, що світло може пройти довгий шлях навіть відносно щільного середовища (наша атмосфера), не поглинаючись значною мірою.

— Доктор Чак

4

@DrChuck Галактику Андромеду спостерігали набагато довше, ніж це, оскільки вона дуже добре видно неозброєним оком. Якщо є одна річ, яку я заздрю за добрі старі часи, це відсутність світлового забруднення.

— Ерік Думініл

1

Або, як сказав Дуглас Адамс: "Космос великий. Дійсно великий. Ви просто не повірите, наскільки він великий, надзвичайно чудовий. Я маю на увазі, ви можете подумати, що це довгий шлях до хіміка, але це просто арахіс у космос ".

— ТЕД

23

У вашому запитанні є помилкова думка, я не думаю, що відповіді на інші відповіді.

Якщо світло, що випромінюється з галактики, подорожує в усіх напрямках, то як ми все ще можемо відобразити всю галактику

Світло буде випромінюється з галактики в усіх напрямках. Лише крихітна, крихітна його частина спрямована на Землю, і з цього ще більш дрібну фракцію збирає будь-який телескоп. Але ми все ще можемо це бачити, тому що галактики дуже і дуже яскраві. Андромеда містить близько трильйона зірок.

— Руперт Морріш
джерело

9

10^{60} p h o t o n s / s

$10^{60}\:\mathrm{photons/s}$

\sim 10^{3} p h o t o n s / p i x e l

$\sim 10^3\:\mathrm{photons/pixel}$

14

Вибачте, якщо ця логіка здається трохи круглою, але ми можемо отримати незрозумілі фотографії галактик, оскільки вони не закриті.

Як вже було сказано - простір дійсно, дуже великий і справді, справді порожній. Нам важко це споглядати, адже біля нас так багато речей - але це насправді дійсно незвичне стан. Наступна зірка до Сонця проходить за 4 світлових роки, але ми отримуємо майже все (99,9999999999 ...%) світло від неї, яке прямує в наш бік - те саме, що і світло віддалі - ми отримуємо величезну кількість фотони, надіслані нам від об’єктів дуже далеко.

Хаббл також використовує найпростіші камерні прийоми лінзування та тривалу експозицію для фотографування далеких предметів - тому для побудови зображення надходить більше світла.

Але, інша частина цього, практично неможливо сфотографувати галактику (або зірку), що знаходиться за іншою галактикою або хмарою пилу. Наприклад, ми не можемо легко бачити повз центр нашої власної галактики, тому що на дорозі багато пилу, газу та зірок. З іншого боку, картина у вашому запитанні здається Андромедою, що знаходиться над площиною галактики. Наша галактика досить тонка в порівнянні з її діаметром, і ми пристойно виходимо з центру галактики, це означає, що на шляху набагато менше речей.

І є деякі галактики, ми зробили знімки, затемнені пилом:

— HorusKol
джерело

2

"набагато менше лайна у шляху" - чи можемо ми спробувати відповісти без настільки багато технічного жаргону?

— Бармар

1

Тут уже було кілька хороших відповідей, але я хотів би додати свій два пенніворта:

Як у нас поки що фотографії галактик?

Тому що між ними та нами немає нічого особливого, що заважає світлу, що потрапляє до наших камер.

Можлива відповідь на це полягає в тому, що світло, що випромінюється з галактик, пройшов мільярд миль на всю землю, де космічний телескоп Хаббл підхопив це світло через свої датчики і зміг побудувати зображення галактики

До Сатурна це мільярд миль . Насправді відстань змінюється в залежності від орбіт, але дивіться цю статтю Space.com : "На найбільш віддалених від них місцях, коли вони лежать на протилежних сторонах сонця одна від одної, вони розташовані трохи більше мільярда миль (1,7 мільярда км) один від одного". . Галактика Андромеди становить близько п'ятнадцяти мільярдів мільярдів миль. Або приблизно п’ятнадцять квінтільйонних миль.

але якщо це правда, а галактики віддалені мільярдами миль, чи не повинні світлові частинки, що випромінюються з галактик, розсіяні всюди?

Не забувайте, що фотони мають хвильову природу E = hf. І що, хоч вони і розкидані у повітрі, все одно можна побачити Місяць. Так, у просторі зникає трохи світла. Але не стільки, щоб нічне небо - це якийсь порожній туманний фуг. Ви також можете бачити Сатурн. І зорі. І галактики, але вони досить тьмяні .

зрештою, вони подорожували мільйони років і, ймовірно, зіткнулися з астероїдами та іншими сторонніми предметами. Які шанси на те, що близько 95% фотонів дійсно досягли Землі, даючи нам дуже детальне зображення.

Шанси високі. У нас є фотографії планет і речей, тому що шанси високі.

Розглянемо галактику Андромеду, яка має відстань 1,42 × 10 ^ 19 миль від землі. Якщо світло, що випромінюється з галактики, подорожує в усіх напрямках, то як же ми все ще можемо скласти карту всієї галактики, видно з фото нижче?

Якби я був охоплений вогнями, я б випромінював світло в усі сторони, і ти побачив би мене, бо частина цього світла потрапляє тобі в очі. Галактика Андомеда схожа.

Чи не хотілося б, щоб половина галактики була відсутньою, оскільки фотони могли вражати інші об’єкти, і "ніколи не дійшли до землі"?

Ні. І якби половина фотонів не досягла Землі, ви б просто побачили тьмяну галактику, це все.

— Джон Даффілд
джерело

0

Дозвольте дати кілька простих пояснень.

Ні-ні-ні. 95% фотонів не досягають Землі. Навіть якби 5% фотонів, випромінюваних (протягом декількох секунд) лише однією зіркою, скажімо, нашим Сонцем дійшли до Землі, наша планета була б повністю випалена! Тепер у Андромеди є сотні мільярдів зірок (або сонців). Нічого цього не досягає, крім нескінченно малої кількості. Дуже дивовижно, наскільки невеликий відсоток фотонів, які дістаються до нас! Ви можете спробувати обчислити це дуже орієнтовно. Дуже легко підрахувати, який відсоток фотонів, випромінюваних Сонцем, досягає Землі. А Сонце знаходиться всього за 8 хвилин від Землі, а Андромеда - понад 2,5 мільйона років! Тож насправді не так складно уявити, скільки фотонів дістається до нас.

Тепер, чому б астероїди, планети чи зірки не блокували все? Андромеда занадто велика, щоб бути заблокованою так! Простіше заблокувати вигляд на Тихий океан з космосу, помістивши між собою кілька крапок пилу! Діаметр Андромеди становить понад 200 мільйонів світлових років. Чи можемо ми заблокувати його з перегляду? Насправді його може перекрити щось велике, як туманність, близька до нашої Сонячної системи. Така туманність повинна бути діаметром багато світлових років; він повинен бути досить щільним; і не надто далеко. На щастя, нічого подібного не блокує цю прекрасну галактику з нашого погляду. Однак це трапляється з деякими іншими галактиками та глибококосмічними об'єктами. Що стосується дуже далеких туманностей, вони не заблокують Андромеду від нашого погляду, оскільки вони будуть виглядати занадто маленькими на тлі Андромеди, яка знаходиться набагато далі.

Чому світло не розсіюється? Чому слід так розсипатися, щоб Андромеда розмилася? Коли Місяць знаходиться на горизонті, його світло проходить через багато сотень миль щільної атмосфери майже паралельно поверхні Землі; але ми все ще можемо тренувати на ньому свої телескопи і бачити різні особливості Місяця. Це був би не дуже чистий вид, але ми все одно побачимо багато. Зараз у космосі світло пересувається майже повним вакуумом, особливо порожнім є порожнеча між галактиками. Отже, немає причин, щоб світло надто розсіялося. Фотони та багато інших частинок досить стабільні і можуть проїхати набагато більші відстані: мільярди світлових років. Ще один спосіб поглянути на це - задати питання, скільки фотонів повинно відхилятися від прямого шляху, щоб Андромеда стала розмитою для нас. Ну, їм треба багато йти вбік, а діаметр Андромеди занадто великий для цього. Це не здається логічним, оскільки фотони рухаються прямими. Великі об'єкти, як зірки та чорні діри, впливатимуть на їх шлях, але діаметр Андромеди настільки величезний, що це не варіант, якщо тільки ми штучно не розмістимо трильйони чорних дір уздовж лінії між Андромедою та нашою Сонячною системою, щоб спробувати перевернути зображення Андромеди або зробити так, щоб ці чорні діри збивали все світло з галактики! Отже, коли астрономи кажуть, що більша частина світла досягає нас, вони означають, що міжгалактичний простір майже повний вакуум, і фотони, що йдуть саме в нашому напрямку, «вільні». І все-таки лише нескінченно невелика їх кількість йде саме в нашому напрямку, і цього все одно вистачає для приємних фотографій. Чому? Ось чому: Це не здається логічним, оскільки фотони рухаються прямими. Великі об'єкти, як зірки та чорні діри, впливатимуть на їх шлях, але діаметр Андромеди настільки величезний, що це не варіант, якщо тільки ми штучно не розмістимо трильйони чорних дір уздовж лінії між Андромедою та нашою Сонячною системою, щоб спробувати перевернути зображення Андромеди або зробити так, щоб ці чорні діри збивали все світло з галактики! Отже, коли астрономи кажуть, що більша частина світла досягає нас, вони означають, що міжгалактичний простір майже повний вакуум, і фотони, що йдуть саме в нашому напрямку, «вільні». І все-таки лише нескінченно невелика їх кількість йде саме в нашому напрямку, і цього все одно вистачає для приємних фотографій. Чому? Ось чому: Це не здається логічним, оскільки фотони рухаються прямими. Великі об'єкти, як зірки та чорні діри, впливатимуть на їх шлях, але діаметр Андромеди настільки величезний, що це не варіант, якщо тільки ми штучно не розмістимо трильйони чорних дір уздовж лінії між Андромедою та нашою Сонячною системою, щоб спробувати перевернути зображення Андромеди або зробити так, щоб ці чорні діри збивали все світло з галактики! Отже, коли астрономи кажуть, що більша частина світла досягає нас, вони означають, що міжгалактичний простір майже повний вакуум, і фотони, що йдуть саме в нашому напрямку, «вільні». І все-таки лише нескінченно невелика їх кількість йде саме в нашому напрямку, і цього все одно вистачає для приємних фотографій. Чому? Ось чому: як зірки і чорні діри впливатимуть на їх шлях, але діаметр Андромеди настільки величезний, що це не варіант, якщо тільки ми штучно не розмістимо трильйони чорних дір уздовж лінії між Андромедою та нашою Сонячною системою, щоб спробувати вивернути образ Андромеди або щоб змусити ці чорні діри зняти все світло з галактики! Отже, коли астрономи кажуть, що більша частина світла досягає нас, вони означають, що міжгалактичний простір майже повний вакуум, і фотони, що йдуть саме в нашому напрямку, «вільні». І все-таки лише нескінченно невелика їх кількість йде саме в нашому напрямку, і цього все одно вистачає для приємних фотографій. Чому? Ось чому: як зірки і чорні діри впливатимуть на їх шлях, але діаметр Андромеди настільки величезний, що це не варіант, якщо тільки ми штучно не розмістимо трильйони чорних дір уздовж лінії між Андромедою та нашою Сонячною системою, щоб спробувати вивернути образ Андромеди або щоб змусити ці чорні діри зняти все світло з галактики! Отже, коли астрономи кажуть, що більша частина світла досягає нас, вони означають, що міжгалактичний простір майже повний вакуум, і фотони, що йдуть саме в нашому напрямку, «вільні». І все-таки лише нескінченно невелика їх кількість йде саме в нашому напрямку, і цього все одно вистачає для приємних фотографій. Чому? Ось чому: якщо тільки ми штучно не розмістимо трильйони чорних дір уздовж лінії між Андромедою та нашою Сонячною системою, намагаючись перекрутити образ Андромеди або не зробити так, щоб ці чорні діри обсипали все світло з галактики! Отже, коли астрономи кажуть, що більша частина світла досягає нас, вони означають, що міжгалактичний простір майже повний вакуум, і фотони, що йдуть саме в нашому напрямку, «вільні». І все-таки лише нескінченно невелика їх кількість йде саме в нашому напрямку, і цього все одно вистачає для приємних фотографій. Чому? Ось чому: якщо тільки ми штучно не розмістимо трильйони чорних дір уздовж лінії між Андромедою та нашою Сонячною системою, намагаючись перекрутити образ Андромеди або не зробити так, щоб ці чорні діри обсипали все світло з галактики! Отже, коли астрономи кажуть, що більша частина світла досягає нас, вони означають, що міжгалактичний простір майже повний вакуум, і фотони, що йдуть саме в нашому напрямку, «вільні». І все-таки лише нескінченно невелика їх кількість йде саме в нашому напрямку, і цього все одно вистачає для приємних фотографій. Чому? Ось чому: лише нескінченно невелика їх кількість йде саме в нашому напрямку, і цього все одно достатньо для приємних фотографій. Чому? Ось чому: лише нескінченно невелика їх кількість йде саме в нашому напрямку, і цього все одно достатньо для приємних фотографій. Чому? Ось чому:

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

Щодо того, наскільки вона велика на нічному небі, ну, по довжині вона приблизно в шість разів перевищує діаметр Місяця, але ви можете бачити лише яскраву центральну частину. Щоб побачити всю міру, вам потрібен великий діафрагмовий телескоп та фотографія з тривалим витримкою, щоб зібрати більше світла та створити краще, більш детальне зображення.

Сподіваюся, це примітивне пояснення буде корисною. Андромеду видно сьогодні, якщо дозволяє погода :)

2

R_{\oplus}^{2} / d_{A n d}^{2} \sim 10^{- 31}

$R_\oplus^2/d_\mathrm{And}^2 \sim 10^{-31}$

10^{- 31}

$10^{-31}$

A_{V} = 0.2 - 0.25

$A_V=0.2\!-\!0.25$

Коментарі не для розширеного обговорення; ця розмова переміщена до чату .

— закликав2voyage