Чому ми не можемо побачити далекі галактики неозброєним оком?

Якщо світло продовжує подорожувати по прямій, чому ми не можемо побачити далекі галактики неозброєним оком? Напевно, якби ви дивились досить довго, світло від них врешті-решт потрапило б у ваше око? Прошу вибачення, якщо це німе питання :)

Напевно, якби ви дивились досить довго, світло від них врешті-решт потрапило б у ваше око?

Збір світла протягом тривалого періоду часу - це те, як телескопи можуть бачити дуже тьмяні предмети. Зорова система людини працює не так.

По-перше, навіть коли ти думаєш, що ти щось дивишся, очі все одно трохи танцюють. Це вбудована відповідь під назвою очні мікротремони. Ці мікротремори здаються важливою складовою функціонування системи зору.

З іншого боку, ваше око не може і не може збирати світло довільно довгий проміжок часу (як це може зробити фотографічний телескоп). Існує величезна кількість обробки сигналів, що відбувається в очах і на шляху до мозку. Ця обробка сигналу залежить від світла, який збирається за короткий проміжок часу.

Наша система зору розвинулася, щоб побачити їжу, друзів та небезпеку при добре освітлених умовах. Ми дуже добре бачимо рух при денному світлі. Ми не так добре бачимо нерухомі об’єкти, і нам зовсім не добре, коли бачимо ледь видимі джерела під дуже темним небом.

Астрономія голого ока обмежена природою системи зору людини. Найвіддаленіший об’єкт, який ми можемо побачити, - це трикутна галактика, і це лише в умовах надзвичайно темного та надзвичайно чистого неба.

Це зовсім не тупо питання, але насправді ви можете бачити далекі галактики неозброєним оком. З північної півкулі видно галактику Андромеду, нашу найбільшу сусідню галактику, якщо ви знаєте, де шукати, і знаходиться у досить темному місці. З південної півкулі видно дві менші, але ближчі, неправильні галактики, які називаються Малою та Великою Магеллановими Хмарами.

Причина того, що більш далекі галактики не видно, обумовлена законом зворотного квадрата : Коли світлові частинки (фотони) відходять від галактики (або будь-якого іншого джерела світла), вони розподіляються по постійно зростаючій поверхні. Це означає, що детектор (наприклад, ваше око) даної області буде вловлювати менше фотонів, чим далі він розміщений від галактики. Закон говорить, що якщо за часовий проміжок Δt в середньому він виявляє, скажімо, 8 фотонів на відстані D, то за той самий часовий проміжок на відстані 2D він виявить 8/2 ² = 2 фотона. На відстані 4D він виявить 8/4 ² = 0,5 фотона. Або, що рівно, для виявлення одного фотона знадобиться вдвічі більше часу.

Суть полягає в тому, що в принципі ви можете бачити дуже далекі галактики, але фотонів настільки мало і прибувають так рідко, що ваше око не є достатньо хорошим детектором. Перевага телескопа полягає в тому, що 1) він має більшу площу, ніж ваше око, і 2) ви можете поставити камеру в її фокусну точку замість ока та сфотографувати з великим часом експозиції, тобто збільшуючи Δt.

Ваші міркування справедливі не тільки для галактик, але і для зірок і всього, що воно світить у Всесвіті, але є важливий ефект, який його приводить до недійсності: поглинання світла.

Міжгалактичне та міжзоряне середовище наповнюється пилом та газом, що сприяє поглинанню та розсіюванню світла з далеких предметів. Особливо на площині нашої Галактики у нас все ще багато газу і пилу (Чумацький Шлях - відносно молода галактика): дійсно, щоб подивитися на далекий об’єкт, ми намагаємось орієнтувати свої телескопи на Лукманську дірку , коли це можливо.

Це особливо актуально для світла низьких частот: при більш високих енергіях розсіювання та поглинання рентгенівських та гамма-променів від стандартної кількості поглинаючого матеріалу незначне (навіть якщо, чим далі ви дивитесь, тим молодші предмети, тим більше є доступний пил і газ, які все ще не зафіксовані в зірках).

Також розглянемо парадокс Ольберса , який вказує на розширення Всесвіту для обліку «темного неба».

1. Мало фотонів - у вас крихітні зіниці. Лише фотони, яким вдасться пройти таку відстань на такій великій відстані по шляху, яка вдається перетинатися з твоїми крихітними зіницями, матимуть шанс побачитись. І лише деякі фотони, які досягають вашої сітківки, насправді взаємодіють з молекулами, які реєструють їх надходження.

2. Інтерференція - Молекули атмосфери, пил в атмосфері, відбиття / заломлення та у вашому оці, пил у Сонячній системі, хмара Оорта, міжзоряний пил у нашій галактиці, пил у міжгалактичному просторі, будь-яка молекула взагалі Шлях, всі можуть поглинати будь-який з декількох фотонів і повторно випромінювати їх в іншому напрямку.

3. Стабільність - Телескопи, особливо такі, як Хаббл, можна по-справжньому по-справжньому порівняти з вашими очима. Не тільки ваші очі постійно роблять крихітні зрушення, але ви дихаєте, а серце б’ється та інші речі, що не дозволяють формуватися дуже тьмяним зображенням.

4. Експозиція - найперше зображення Hubble Deep Field було зібрано протягом майже 100 годин експозиції . Вам може здатися, що це важко з очима.

5. Утримання - час експозиції впливає на те, скільки зберігається «даних» про те, де фотони потрапили на поверхню запису. Ваші очі не пам’ятатимуть, що фотон був зареєстрований у рецепторі навіть хвилиною раніше. Ваші очі взагалі недобрі для "нерухомої фотографії".

6. Легке забруднення / універсальне розширення - Всесвіт розширюється протягом мільярдів років. Коли вона розширюється, світло, що поширюється через простір, «розтягується» більше до червоного кінця видимого спектру. Для віддалених галактик це фактично означає, що видиме світло від них змістилося досить далеко, щоб бути інфрачервоним і невидимим до моменту потрапляння сюди. Тепер ультрафіолетове світло також зміщуватиметься, деякі з них стають «видимими». Але вона починає змішуватися з будь-якими розсіяними ефектами "легкого забруднення", як тільки потрапляє в нашу атмосферу. Ваші очі взагалі не дуже добре відслідковувати, з яких джерел надходять фотони.

Напевно, є й інші фактори, але, можливо, їх більш ніж достатньо, щоб вказати, наскільки велика проблема. Зауважимо, що раннє 100-годинне зображення Хаббла було великим сюрпризом для астрономів. Навіть за наявних раніше великих телескопів для збору світла вони не змогли отримати достатньо світла для корисних даних. Це попереднє обладнання мало набагато більших зіниць, ніж у вас, більш чутливі поверхні для зображень і могло «сидіти на місці» значно довше, ніж ви; і це все ще мало труднощі з далекими галактиками.

$x$$x$

І це поверх усіх інших факторів, як пояснено в інших відповідях (але я хотів би зазначити цей конкретний момент трохи далі, ніж інші відповіді.).

Я думаю, що ваше запитання є переосмисленням того, що відомо як "парадокс Облера", а саме, якщо Всесвіт нескінченний, чому нічне небо не біле, як рано чи пізно наша лінія зору потрапляє до зірки, і навіть якщо дуже далеко там були б нескінченними зірками там.

Відповідь на це: (а) Всесвіт не нескінченний, або (б) Всесвіт не був тут ніколи, тому навіть якщо він нескінченний, світло дуже далеко ще не досягне нас.

Випадок (b) є загальновизнаним - тобто Всесвіт розпочався обмежений час тому в "великому вибуху" - хоча (а) суперечить - тобто може бути, що Всесвіт ні в якому разі не є нескінченним.

Чи може людина бачити єдиний фотон?

Людське око дуже чутливе, але чи можемо ми побачити один фотон? Відповідь полягає в тому, що датчики в сітківці відповідають одному фотону. Однак нейронні фільтри дозволяють передавати сигнал до мозку, щоб викликати усвідомлену реакцію, коли щонайменше приблизно п’ять-дев'ять надходять протягом менше 100 мс. Якби ми могли свідомо бачити поодинокі фотони, ми відчували б занадто багато зорового "шуму" при дуже слабкому освітленні, тому цей фільтр - це необхідна адаптація, а не слабкість.

Відповідно до цієї статті http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Quantum/see_a_photon.html

Оскільки це не завжди можливо для віддалених галактик, ми не можемо побачити далекі галактики.

Ядро питання вже отримано відповідь, але все ще цікаво проілюструвати, наскільки складно зробити спостереження неозброєним оком надзвичайно яскравої сусідньої галактики M81. Астроном Брайан Скіфф розповідає про його успішне спостереження неозброєним оком цієї галактики тут .

Тепер галактики заданої яскравості важче помітити, ніж зірки тієї ж яскравості, через їх розширену природу. Якщо небо досить темне, то ви можете бачити зірки такі слабкі, як магнітуда 8, але ви все одно будете намагатися помітити M81, що має яскравість магнітуди 7. Величина 7 - це штучна фігура, отримана шляхом додавання світла, що надходить з дещо різних напрямків.

Крім того, вам потрібна лише незначна кількість легкої полюції, щоб небо повернулося просто крихітним сірим, щоб зникнути з виду галактику, в той час як видимість слабких зірок залишається істотно не вплинутою. Це тому, що яскравість як функція положення на небі у випадку зірки має дуже сильний і вузький пік, тоді як у випадку галактики, через її розширений характер, не виявляється великого піку. Вбудована яскравість може бути однаковою для обох випадків, але кількість фонового світла, необхідного для того, щоб зробити галактику невидимою, очевидно, набагато менше, ніж потрібно для зірки.