Come possiamo avere foto di galassie così lontane?

Una possibile risposta a questo è che la luce emessa dalle galassie ha viaggiato per un miliardo di miglia fino alla terra, dove il telescopio spaziale hubble ha raccolto questa luce attraverso i suoi sensori ed è stato in grado di costruire un'immagine della galassia

ma se questo è vero e le galassie sono a miliardi di miglia di distanza, le particelle di luce emesse dalle galassie non dovrebbero essere sparse ovunque ? dopo tutto hanno viaggiato per milioni di anni e probabilmente si sono scontrati con asteroidi e altri oggetti estranei. Quali sono state le probabilità che circa il 95% dei fotoni abbia effettivamente raggiunto la Terra, dandoci un'immagine molto dettagliata.

Considera la galassia andromeda che ha una distanza di 1.492 × 10 ^ 19 miglia dalla terra. Se la luce emessa dalla galassia viaggia in tutte le direzioni, allora come possiamo ancora mappare l'intera galassia, evidente dalla foto qui sotto?

Non dovrebbe mancare metà della galassia poiché i fotoni avrebbero potuto colpire altri oggetti e "non avrebbero mai raggiunto la Terra"?

Ci sono due ragioni per cui spesso - ma non sempre - la luce proveniente da galassie a milioni e persino miliardi di anni luce di distanza arriva attraverso l'Universo e arriva fino a noi:

1. Innanzitutto, il mezzo intergalattico (IGM) è estremamente diluito. La densità numerica delle particelle là fuori è dell'ordine di , o circa 26 ordini di grandezza inferiori rispetto all'aria a livello del mare! Ciò significa che se si considera un tubo dall'Andromeda alla Via Lattea con area della sezione trasversale di , conterrà all'incirca un microgrammo di materia (grazie a Rob Jeffries per aver catturato un fattore Errore ).$n\sim10^{-7}\,\mathrm{cm}^{-3}$$1\,\mathrm{cm}^{2}$$10^6$

2. In secondo luogo, anche se un fotone si avvicina ad un atomo, sarà assorbito solo se la sua energia corrisponde da vicino a una transizione nell'atomo. Poiché la maggior parte degli atomi sono ionizzati (e quindi dovrebbe essere chiamato plasma, ma in astronomia la distinzione se spesso non viene fatta), non ci sono elettroni per assorbire il fotone. È più probabile che i fotoni interagiscano con gli elettroni liberi tramite lo scattering Thomson, ma la sezione trasversale di Thomson è immensamente piccola , quindi anche se si considera il I fotoni CMB - che hanno attraversato l'Universo quasi dal Big Bang - solo il 5% circa di essi ha interagito con gli elettroni lungo il suo cammino.$(\sim10^{-24}\,\mathrm{cm}^{2})$

In altre parole: la quantità di luce trasmessa dipende da due fattori: 1) la quantità di materia lungo la linea di vista e 2) la capacità della materia di assorbire la luce. Nell'IGM, entrambi sono tremendamente piccoli. Quando la luce entra tra stellare medio (ISM) all'interno della nostra galassia, può verificarsi più dense nubi con atomi che sono in grado di assorbire la luce. Ma di solito (sebbene non sempre) "denso" è ancora molto diluito rispetto all'atmosfera terrestre.

In generale, se un raggio di luce attraversa una regione di particelle, ciascuna con una sezione (misurata ad esempio in cm ), passando particelle per area del raggio (misurata ad esempio in cm ), quindi l'opacità del mezzo è data dalla profondità ottica , definita da La frazione trasmessa di fotoni è quindi In generale, dipende dalla lunghezza d'onda e quindi parte dello spettro può passare senza ostacoli, mentre un'altra parte può essere completamente assorbita.$\sigma$$^2$$N$$^{-2}$ $\tau$

La figura in basso (da qui ) mostra lo spettro di un quasar che giace a una distanza di 22 miliardi di anni luce, cioè volte più lontano di Andromeda. Vedi che ci sono diverse sottili linee di assorbimento (causate dall'intervento di nubi di idrogeno le cui densità sono 10-100 in più rispetto all'IGM), ma la maggior parte della luce arriva fino a noi.$10\,000$

Poiché la luce che vediamo da questo quasar è stata emessa molto tempo fa, l'Universo era considerevolmente più piccolo in quel momento, e quindi la densità era maggiore. Tuttavia, viene assorbita solo una piccola parte. Più lontano viene emessa la luce, più tempo fa era, il che significa Universo più piccolo e densità più elevata, e quindi più luce viene assorbita. Se consideri questo quasar (da qui ) che si trova a 27 miliardi di anni luce di distanza, vedi che molta più luce viene assorbita in una parte dello spettro. Tuttavia, molta luce ci raggiunge.

La ragione per cui sono assorbite solo le lunghezze d'onda corte è piuttosto interessante, ma questa è un'altra storia.

Come dice Rob Jeffries, l'universo è per lo più spazio vuoto. Un fotone può viaggiare facilmente per migliaia di anni luce senza interagire con nulla. Gran parte dell'interazione si verificherebbe quando i fotoni entrassero nell'atmosfera terrestre. Hubble evita questo. Queste foto erano probabilmente dovute alla combinazione di diverse sessioni di visualizzazione, dando sostanzialmente un periodo di tempo prolungato per l'osservazione della galassia.

C'è un malinteso nella tua domanda, non credo che le altre risposte siano state indirizzate.

Se la luce emessa dalla galassia viaggia in tutte le direzioni, come è possibile che possiamo ancora mappare l'intera galassia

La luce viene emessa dalla galassia in tutte le direzioni. Solo una piccola, minuscola frazione di essa è diretta sulla Terra e, di conseguenza, una frazione ancora più piccola viene raccolta da un dato telescopio. Ma possiamo ancora vederlo, perché le galassie sono molto, molto luminose. Andromeda contiene circa un trilione di stelle.

Scusate se questa logica sembra un po 'circolare, ma possiamo ottenere immagini non oscurate di galassie perché non sono oscurate.

Come è stato menzionato, lo spazio è molto, molto grande e molto, molto vuoto. Questo è difficile da contemplare, perché ci sono così tante cose proprio accanto a noi - ma in realtà è una condizione davvero insolita. La stella successiva al Sole è a più di 4 anni luce di distanza, ma otteniamo quasi tutti (99.9999999999 ...%) dalla luce che proviene dalla nostra direzione - lo stesso con la luce da più lontano - otteniamo un numero enorme di fotoni inviati a noi da oggetti molto lontani.

Hubble utilizza anche le semplici tecniche di messa a fuoco della fotocamera e le lunghe esposizioni per scattare immagini di oggetti distanti, quindi viene ricevuta più luce per costruire l'immagine.

Ma, dall'altra parte, è quasi impossibile fotografare una galassia (o stella) dietro un'altra galassia o nuvola di polvere. Ad esempio, non possiamo facilmente vedere oltre il centro della nostra galassia, perché ci sono un sacco di polvere, gas e stelle sulla strada. L'immagine nella tua domanda, dall'altra, sembra essere Andromeda, che si trova sopra il piano della galassia. La nostra galassia è piuttosto sottile rispetto al suo diametro, e siamo una buona via d'uscita dal centro galattico, il che significa che ci sono molte meno cose sulla strada.

E ci sono alcune galassie di cui abbiamo preso immagini che sono oscurate dalla polvere:

Ci sono già state delle buone risposte, ma vorrei aggiungere il mio pennyworth:

Come possiamo avere foto di galassie così lontane?

Perché non c'è molto tra loro e noi che interferisce con la luce che raggiunge le nostre telecamere.

Una possibile risposta per questo è che la luce emessa dalle galassie ha viaggiato per un miliardo di miglia fino alla terra, dove il telescopio spaziale Hubble ha raccolto questa luce attraverso i suoi sensori ed è stato in grado di costruire un'immagine della galassia

Sono un miliardo di miglia a Saturno . Beh, in realtà la distanza varia con le orbite, ma vedi questo articolo di Space.com : "Nella loro parte più distante, quando giacciono su lati opposti del sole l'uno dall'altro, sono distanti poco più di un miliardo di miglia (1,7 miliardi di km)" . La galassia di Andromeda si trova a circa quindici miliardi di miliardi di miglia di distanza. O circa quindici quintilioni di miglia.

ma se questo è vero e le galassie sono a miliardi di miglia di distanza, le particelle di luce emesse dalle galassie non dovrebbero essere sparse ovunque?

Non dimenticare che i fotoni hanno una natura d'onda E = hf. E anche se sono sparsi nell'aria, puoi ancora vedere la Luna. Sì, c'è un po 'di luce che si sta smarrendo nello spazio. Ma non così tanto che il cielo notturno è un vuoto nascondiglio nebbioso. Puoi vedere anche Saturno. E le stelle. E le galassie, ma sono piuttosto deboli .

dopo tutto hanno viaggiato per milioni di anni e probabilmente si sono scontrati con asteroidi e altri oggetti estranei. Quali sono state le probabilità che circa il 95% dei fotoni abbia effettivamente raggiunto la Terra, dandoci un'immagine molto dettagliata.

Le possibilità sono alte. Abbiamo foto di pianeti e cose perché le possibilità sono alte.

Considera la galassia di Andromeda che ha una distanza di 1.492 × 10 ^ 19 miglia dalla terra. Se la luce emessa dalla galassia viaggia in tutte le direzioni, allora come possiamo ancora mappare l'intera galassia, evidente dalla foto qui sotto?

Se fossi coperto di luci, emetterei luce in tutte le direzioni e mi vedresti perché parte di quella luce ti penetra negli occhi. La galassia di Andomeda è simile.

Non dovrebbe mancare metà della galassia poiché i fotoni avrebbero potuto colpire altri oggetti e "non avrebbero mai raggiunto la Terra"?

No. E se metà dei fotoni non raggiungessero la Terra, vedresti solo una galassia più fioca, tutto qui.

Vorrei dare alcune semplici spiegazioni.

No, no, no. Il 95% dei fotoni non raggiunge la Terra. Anche se il 5% dei fotoni emessi (in pochi secondi) da una sola stella, diciamo, dal nostro Sole avesse raggiunto la Terra, il nostro pianeta sarebbe stato completamente bruciato! Ora, Andromeda ha centinaia di miliardi di stelle (o soli). Niente di tutto ciò ci raggiunge, tranne un numero infinitamente piccolo. È sbalorditivo quanto piccola sia la percentuale di fotoni che ci raggiungono! Puoi provare a calcolarlo molto approssimativamente. È molto facile calcolare quale percentuale di fotoni emessi dal Sole raggiunge la Terra. E il Sole è a soli 8 minuti dalla Terra, mentre Andromeda è a più di 2,5 milioni di anni! Quindi, in realtà, non è così difficile immaginare quanti fotoni ci raggiungano.

Ora, perché gli asteroidi, i pianeti o le stelle non bloccano tutto? Andromeda è troppo grande per essere bloccato in quel modo! È più facile bloccare la vista sull'Oceano Pacifico dallo spazio mettendo in mezzo qualche granello di polvere! Il diametro di Andromeda è di oltre 200 milioni di anni luce. Possiamo bloccarlo dalla vista? In realtà può essere bloccato da qualcosa di grande come una nebulosa vicino al nostro sistema solare. Tale nebulosa deve avere un diametro di molti anni luce; deve essere abbastanza denso; e non troppo lontano. Per fortuna nulla del genere blocca questa bellissima galassia dal nostro punto di vista. Tuttavia succede con alcune altre galassie e oggetti dello spazio profondo. Quanto alle nebulose molto distanti, non bloccheranno Andromeda dal nostro punto di vista perché sembreranno troppo piccole sullo sfondo di Andromeda che è molto più lontano.

Perché la luce non è diffusa? Perché dovrebbe essere sparso così tanto da rendere Andromeda sfocato? Quando la Luna è all'orizzonte, la sua luce viaggia attraverso molte centinaia di miglia di atmosfera densa quasi parallela alla superficie della Terra; tuttavia, possiamo ancora addestrare i nostri telescopi su di esso e vedere le varie caratteristiche della Luna. Non sarebbe una visione molto pulita ma vedremmo ancora molto. Ora, nello spazio la luce viaggia attraverso un vuoto quasi completo, soprattutto vuoto è il vuoto tra le galassie. Quindi, non c'è motivo per cui la luce venga dispersa troppo. I fotoni e molte altre particelle sono abbastanza stabili e possono percorrere distanze molto più grandi: miliardi di anni luce. Un altro modo di vederlo è quello di porre una domanda su quanti fotoni dovrebbero deviare dal loro percorso diritto in modo che Andromeda diventi sfocata per noi. Bene, devono andare molto di lato, e il diametro di Andromeda è troppo grande per quello. Ciò non sembra logico, poiché i fotoni viaggiano in linea retta. Grandi oggetti, come stelle e buchi neri, influenzeranno il loro percorso, ma il diametro di Andromeda è così grande che non è un'opzione, a meno che non posizioniamo artificialmente trilioni di buchi neri lungo la linea tra Andromeda e il nostro sistema solare nel tentativo di deformare l'immagine di Andromeda o per fare in modo che questi buchi neri assorbano tutta la luce della galassia! Quindi, quando gli astronomi affermano che la maggior parte della luce ci raggiunge, significano che lo spazio intergalattico è un vuoto quasi completo e che i fotoni che vanno esattamente nella nostra direzione sono "liberi" di andare. Tuttavia, solo un numero infinitamente piccolo di essi va esattamente nella nostra direzione ed è ancora abbastanza per belle foto. Perché? Ecco perchè: Ciò non sembra logico, poiché i fotoni viaggiano in linea retta. Grandi oggetti, come stelle e buchi neri, influenzeranno il loro percorso, ma il diametro di Andromeda è così grande che non è un'opzione, a meno che non posizioniamo artificialmente trilioni di buchi neri lungo la linea tra Andromeda e il nostro sistema solare nel tentativo di deformare l'immagine di Andromeda o per fare in modo che questi buchi neri assorbano tutta la luce della galassia! Quindi, quando gli astronomi affermano che la maggior parte della luce ci raggiunge, significano che lo spazio intergalattico è un vuoto quasi completo e che i fotoni che vanno esattamente nella nostra direzione sono "liberi" di andare. Tuttavia, solo un numero infinitamente piccolo di essi va esattamente nella nostra direzione ed è ancora abbastanza per belle foto. Perché? Ecco perchè: Ciò non sembra logico, poiché i fotoni viaggiano in linea retta. Grandi oggetti, come stelle e buchi neri, influenzeranno il loro percorso, ma il diametro di Andromeda è così grande che non è un'opzione, a meno che non posizioniamo artificialmente trilioni di buchi neri lungo la linea tra Andromeda e il nostro sistema solare nel tentativo di deformare l'immagine di Andromeda o per fare in modo che questi buchi neri assorbano tutta la luce della galassia! Quindi, quando gli astronomi affermano che la maggior parte della luce ci raggiunge, significano che lo spazio intergalattico è un vuoto quasi completo e che i fotoni che vanno esattamente nella nostra direzione sono "liberi" di andare. Tuttavia, solo un numero infinitamente piccolo di essi va esattamente nella nostra direzione ed è ancora abbastanza per belle foto. Perché? Ecco perchè: come le stelle e i buchi neri influenzeranno il loro percorso, ma il diametro di Andromeda è così grande che non è un'opzione, a meno che non posizioniamo artificialmente trilioni di buchi neri lungo la linea tra Andromeda e il nostro sistema solare nel tentativo di deformare l'immagine di Andromeda o per fare in modo che questi buchi neri divorino tutta la luce della galassia! Quindi, quando gli astronomi affermano che la maggior parte della luce ci raggiunge, significano che lo spazio intergalattico è un vuoto quasi completo e che i fotoni che vanno esattamente nella nostra direzione sono "liberi" di andare. Tuttavia, solo un numero infinitamente piccolo di essi va esattamente nella nostra direzione ed è ancora abbastanza per belle foto. Perché? Ecco perchè: come le stelle e i buchi neri influenzeranno il loro percorso, ma il diametro di Andromeda è così grande che non è un'opzione, a meno che non posizioniamo artificialmente trilioni di buchi neri lungo la linea tra Andromeda e il nostro sistema solare nel tentativo di deformare l'immagine di Andromeda o per fare in modo che questi buchi neri divorino tutta la luce della galassia! Quindi, quando gli astronomi affermano che la maggior parte della luce ci raggiunge, significano che lo spazio intergalattico è un vuoto quasi completo e che i fotoni che vanno esattamente nella nostra direzione sono "liberi" di andare. Tuttavia, solo un numero infinitamente piccolo di essi va esattamente nella nostra direzione ed è ancora abbastanza per belle foto. Perché? Ecco perchè: a meno che non posizioniamo artificialmente trilioni di buchi neri lungo la linea tra Andromeda e il nostro sistema solare nel tentativo di deformare l'immagine di Andromeda o di fare in modo che questi buchi neri divorino tutta la luce della galassia! Quindi, quando gli astronomi affermano che la maggior parte della luce ci raggiunge, significano che lo spazio intergalattico è un vuoto quasi completo e che i fotoni che vanno esattamente nella nostra direzione sono "liberi" di andare. Tuttavia, solo un numero infinitamente piccolo di essi va esattamente nella nostra direzione ed è ancora abbastanza per belle foto. Perché? Ecco perchè: a meno che non posizioniamo artificialmente trilioni di buchi neri lungo la linea tra Andromeda e il nostro sistema solare nel tentativo di deformare l'immagine di Andromeda o di fare in modo che questi buchi neri divorino tutta la luce della galassia! Quindi, quando gli astronomi affermano che la maggior parte della luce ci raggiunge, significano che lo spazio intergalattico è un vuoto quasi completo e che i fotoni che vanno esattamente nella nostra direzione sono "liberi" di andare. Tuttavia, solo un numero infinitamente piccolo di essi va esattamente nella nostra direzione ed è ancora abbastanza per belle foto. Perché? Ecco perchè: solo un numero infinitamente piccolo di essi va esattamente nella nostra direzione ed è ancora abbastanza per belle foto. Perché? Ecco perchè: solo un numero infinitamente piccolo di essi va esattamente nella nostra direzione ed è ancora abbastanza per belle foto. Perché? Ecco perchè:

$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$

Quanto è grande nel cielo notturno, beh, nel senso della lunghezza è circa sei volte il diametro della luna ma puoi vedere solo la parte centrale luminosa. Per vedere tutto ciò che serve è necessario un telescopio ad ampia apertura e una fotografia a lunga esposizione per raccogliere più luce e produrre un'immagine migliore e più dettagliata.

Spero che questa spiegazione primitiva possa essere di qualche aiuto. Andromeda è visibile oggi se il tempo lo permette :)