Почему мы не можем увидеть далекие галактики невооруженным глазом?

Если свет продолжает двигаться по прямой линии, почему мы не можем видеть далекие галактики невооруженным глазом? Конечно, если вы смотрите достаточно долго, свет от них в конечном итоге попадет в ваш глаз? Прошу прощения, если это глупый вопрос :)

Конечно, если вы смотрите достаточно долго, свет от них в конечном итоге попадет в ваш глаз?

Собирая свет в течение длительного периода времени, телескопы могут видеть очень тусклые объекты. Зрительная система человека не работает таким образом.

Во-первых, даже когда вы думаете, что смотрите на что-то, ваши глаза все еще немного танцуют. Это встроенный ответ, который называется глазным микротремором. Эти микротреморы являются важной частью функционирования системы зрения.

С другой стороны, ваш глаз не собирает и не может собирать свет в течение сколь угодно длительных периодов времени (как это может сделать фотографический телескоп). Существует огромное количество обработки сигналов, которая происходит в глазу и на пути к мозгу. Эта обработка сигнала зависит от света, собираемого за короткие промежутки времени.

Наша система зрения развивалась, чтобы видеть пищу, друзей и опасности в хорошо освещенных условиях. Мы очень хорошо видим движение при свете дня. Мы не так хороши в том, чтобы видеть неподвижные объекты, и мы совсем не хороши в том, чтобы видеть едва видимые источники под очень темным небом.

Астрономия невооруженным глазом ограничена природой системы человеческого зрения. Самый удаленный объект, который мы можем видеть, - это Галактика Триангул, и это только в условиях очень темного и очень чистого неба.

Совсем не глупый вопрос, но на самом деле вы можете увидеть далекие галактики невооруженным глазом. Из северного полушария галактика Андромеды, наша самая большая соседняя галактика, видна, если вы знаете, где искать, и находится в достаточно темном месте. Из южного полушария видны две меньшие, но более близкие, неправильные галактики, называемые Малым и Большим Магеллановыми Облаками.

Причина, по которой более далекие галактики не видны, связана с законом обратных квадратов : поскольку легкие частицы (фотоны) удаляются от галактики (или любого другого источника света), они распределяются по постоянно увеличивающейся поверхности. Это означает, что детектор (например, ваш глаз) данной области будет ловить меньше фотонов, чем дальше он находится от галактики. Закон гласит, что если в среднем за интервал времени Δt он обнаруживает, скажем, 8 фотонов на расстоянии D, то за тот же интервал времени на расстоянии 2D он обнаруживает 8/2 ² = 2 фотонов. На расстоянии 4D он обнаружит 8/4 ² = 0,5 фотонов. Или, что эквивалентно, потребуется вдвое больше времени для обнаружения одного фотона.

Суть в том, что в принципе вы можете видеть очень далекие галактики, но фотонов так мало и они приходят так редко, что ваш глаз не является достаточно хорошим детектором. Преимущество телескопа состоит в том, что 1) он имеет большую площадь, чем ваш глаз, и 2) вы можете поместить камеру в фокусе вместо вашего глаза и делать снимки с большим временем экспозиции, то есть увеличивая Δt.

Ваше рассуждение будет справедливо не только для галактик, но также для звезд и всего, что сияет во Вселенной, но есть важный эффект, который делает его недействительным: поглощение света.

Межгалактическая и межзвездная среда заполнена пылью и газом, что способствует поглощению и рассеиванию света от удаленных объектов. Особенно в плане нашей Галактики, у нас все еще есть много газа и пыли (Млечный Путь - относительно молодая галактика): действительно, чтобы посмотреть на отдаленный объект, мы пытаемся ориентировать наши телескопы к Отверстию Локмана , когда это возможно.

Это особенно актуально для света низких частот: при более высоких энергиях рассеивание и поглощение рентгеновского и гамма-излучения от стандартного количества поглощающего материала незначительно (даже если чем дальше вы смотрите, тем моложе объекты, тем больше пыль и газ доступны, которые все еще не заперты в звездах).

Кроме того, рассмотрим парадокс Олберса , который указывает на расширяющуюся Вселенную, чтобы объяснить «темное небо».

1. Несколько фотонов - у вас есть крошечные зрачки. Только фотоны, которым удается пройти так далеко на таком большом расстоянии по пути, который удается пересечь с вашими крошечными зрачками, будут иметь шанс быть замеченными. И только некоторые фотоны, которые достигают вашей сетчатки, на самом деле взаимодействуют с молекулами, которые регистрируют их прибытие.

2. Помехи - молекулы атмосферы, пыль в атмосфере, отражение / преломление и в вашем глазу, пыль в солнечной системе, облако Оорта, межзвездная пыль в нашей галактике, пыль в межгалактическом пространстве, любая молекула на всем протяжении пути, все могут поглотить любой из немногих фотонов и переиздать их в другом направлении.

3. Стабильность - Телескопы, особенно такие, как Хаббл, могут быть действительно, действительно, по сравнению с вашими глазами. Мало того, что ваши глаза постоянно делают крошечные сдвиги, но вы дышите, и ваше сердце бьется, а другие вещи мешают формированию очень тусклых образов.

4. Экспозиция. Самое первое изображение в глубоком поле Хаббла было получено примерно за 100 часов экспозиции . Возможно, вам будет трудно с вашими глазами.

5. Сохранение - Время воздействия влияет на то, сколько «данных» сохраняется о том, где фотоны попали на поверхность записи. Ваши глаза не будут помнить, что фотон зарегистрирован на рецепторе даже минуту назад. Твои глаза совсем не годятся для «фотосъемки».

6. Световое загрязнение / универсальное расширение - Вселенная расширяется в течение миллиардов лет. По мере расширения свет, распространяющийся в пространстве, «простирается» больше до красного конца видимого спектра. Для далеких галактик это фактически означает, что видимый свет от них сместился достаточно далеко, чтобы стать инфракрасным и невидимым к тому времени, как он сюда попал. Теперь ультрафиолетовый свет также сместится, и часть его станет «видимой». Но затем он начинает смешиваться с любыми рассеянными эффектами «светового загрязнения», когда попадает в нашу атмосферу. Ваши глаза совсем не умеют отслеживать, какие фотоны поступают из каких источников.

Возможно, есть и другие факторы, но, возможно, их более чем достаточно, чтобы указать, насколько серьезна проблема. Обратите внимание, что раннее 100-часовое изображение Хаббла стало большим сюрпризом для астрономов. Даже с большими телескопами, собирающими свет, которые были доступны ранее, они не могли получить достаточно света для полезных данных. Это раннее оборудование имело гораздо большие зрачки, чем у вас, более чувствительные поверхности изображения и могло «сидеть на месте» намного дольше, чем вы; и у него все еще были трудности с далекими галактиками.

$x$$x$

И это помимо всех других факторов, как объяснено в других ответах (но я хотел бы остановиться на этом конкретном моменте немного дальше, чем другие ответы.).

Я думаю, что ваш вопрос - это переосмысление того, что известно как «парадокс Облера» - а именно, если вселенная бесконечна, почему ночное небо не белое, так как рано или поздно наш луч зрения попадает на звезду, и даже если очень далеко там были бы бесконечные звезды там.

Ответ на этот вопрос либо: (а) Вселенная не бесконечна, либо (б) Вселенная не была здесь вечно, поэтому даже если она бесконечна, свет от очень далекого еще не достиг нас.

Случай (b) является общепринятым - т.е. Вселенная началась конечное время назад в «Большом взрыве», - хотя (а) оспаривается - то есть, возможно, Вселенная не бесконечна в любом случае.

Может ли человек увидеть один фотон?

Человеческий глаз очень чувствителен, но можем ли мы увидеть один фотон? Ответ заключается в том, что датчики в сетчатке соответствуют одному фотону. Однако нейронные фильтры пропускают сигнал в мозг только для того, чтобы вызвать сознательный ответ, когда по крайней мере от пяти до девяти поступают в течение менее 100 мс. Если бы мы могли сознательно видеть отдельные фотоны, мы бы испытали слишком много визуального «шума» при очень слабом освещении, поэтому этот фильтр - необходимая адаптация, а не слабость.

Согласно этой статье http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Quantum/see_a_photon.html

Поскольку это не всегда возможно для далеких галактик, мы не можем видеть далекие галактики.

На суть вопроса уже дан ответ, но все же интересно показать, насколько сложно невооруженным глазом наблюдать за чрезвычайно яркой близлежащей галактикой M81. Астроном Брайан Скифф рассказывает о своем успешном наблюдении невооруженным глазом этой галактики здесь .

Теперь галактики заданной яркости обнаружить труднее, чем звезды одинаковой яркости, из-за их протяженной природы. Если небо достаточно темное, то вы можете видеть слабые звезды величиной 8, но вам все равно будет трудно разглядеть M81 с яркостью 7. Величина 7 - это искусственная фигура, полученная путем суммирования света, который приходит со слегка разных направлений.

Кроме того, вам нужно лишь очень небольшое количество светового загрязнения, чтобы сделать фон неба немного чуть-чуть серым, чтобы галактика исчезла из поля зрения, в то время как видимость слабых звезд остается практически неизменной. Это связано с тем, что яркость как функция положения на небе в случае звезды имеет очень сильный и узкий пик, в то время как в случае галактики из-за ее протяженной природы не наблюдается большой пик. Интегрированная яркость может быть одинаковой для обоих случаев, но количество фонового света, которое вам нужно, чтобы сделать галактику невидимой, очевидно, намного меньше, чем нужно для звезды.