Perché non possiamo vedere galassie distanti ad occhio nudo?

Se la luce continua a viaggiare in linea retta, perché non possiamo vedere galassie distanti ad occhio nudo? Sicuramente se fissassi abbastanza a lungo, la luce da loro alla fine ti colpirebbe l'occhio? Mi scuso se questa è una domanda stupida :)

Sicuramente se fissassi abbastanza a lungo, la luce da loro alla fine ti colpirebbe l'occhio?

Raccogliere luce per un lungo arco di tempo è il modo in cui i telescopi possono vedere oggetti molto scuri. Il sistema visivo umano non funziona in questo modo.

Per prima cosa, anche quando pensi di star fissando qualcosa, i tuoi occhi danzano ancora un po '. È una risposta integrata chiamata microtremori oculari. Questi microtremori sembrano essere una parte essenziale per rendere funzionale il sistema di visione.

Per un altro, l'occhio non raccoglie e non può raccogliere la luce per periodi di tempo arbitrariamente lunghi (come può fare un telescopio fotografico). C'è un'enorme quantità di elaborazione del segnale che avviene nell'occhio e lungo la strada per il cervello. Questa elaborazione del segnale dipende dalla raccolta della luce per brevi periodi di tempo.

Il nostro sistema di visione si è evoluto per vedere cibo, amici e pericoli in condizioni ben illuminate. Siamo molto bravi a vedere il movimento in pieno giorno. Non siamo così bravi a vedere oggetti fissi, e non siamo affatto bravi a vedere fonti appena visibili sotto un cielo molto scuro.

L'astronomia dell'occhio nudo è limitata dalla natura del sistema di visione umano. L'oggetto più remoto che possiamo vedere è la galassia Triangulum, ed è solo in condizioni di cielo estremamente scuro ed estremamente chiaro.

Non è affatto una domanda stupida, ma in realtà puoi vedere galassie distanti ad occhio nudo. Dall'emisfero settentrionale, la galassia di Andromeda, la nostra più grande galassia vicina, è visibile se sai dove cercare ed è in un luogo ragionevolmente buio. Dall'emisfero australe sono visibili le due galassie irregolari più piccole, ma più vicine, chiamate le Piccole e Grandi Nuvole di Magellano.

Il motivo per cui non sono visibili galassie più distanti, è dovuto alla legge del quadrato inverso : quando le particelle di luce (fotoni) si allontanano dalla galassia (o qualsiasi altra fonte di luce), vengono distribuite su una superficie in costante aumento. Ciò significa che un rivelatore (ad esempio il tuo occhio) di una determinata area catturerà meno fotoni, più lontano viene posizionato dalla galassia. La legge dice che se in un intervallo di tempo Δt in media rileva, diciamo, 8 fotoni a distanza D, quindi nello stesso intervallo di tempo, a distanza 2D rileverà 8/2 ² = 2 fotoni. A una distanza di 4D, rileverà 8/4 ² = 0,5 fotoni. O, equivalentemente, avrà bisogno del doppio del tempo per rilevare un singolo fotone.

La linea di fondo è che in linea di principio puoi vedere galassie molto distanti, ma i fotoni sono così pochi e arrivano così raramente, che il tuo occhio non è un rilevatore abbastanza buono. Il vantaggio di un telescopio è che 1) ha un'area più ampia dell'occhio e 2) è possibile posizionare una fotocamera nel suo punto focale anziché l'occhio e scattare una foto con un tempo di esposizione elevato, cioè aumentando il Δt.

Il tuo ragionamento sarebbe valido non solo per le galassie, ma anche per le stelle e tutto ciò che brilla nell'Universo, ma c'è un effetto importante che lo invalida: l'assorbimento della luce.

Il mezzo intergalattico e interstellare è riempito di polvere e gas, che contribuisce ad assorbire e disperdere la luce da oggetti distanti. Soprattutto sul piano della nostra Galassia, abbiamo ancora un sacco di gas e polvere (la Via Lattea è una galassia relativamente giovane): infatti, per guardare un oggetto distante cerchiamo di orientare i nostri telescopi verso il Lockman Hole , ogni volta che è possibile.

Ciò è particolarmente valido per la luce a basse frequenze: alle energie più elevate, la dispersione e l'assorbimento di raggi X e raggi gamma da quantità standard di materiale assorbente è trascurabile (anche se, più si guarda lontano, più giovani sono gli oggetti, più è la polvere e il gas disponibili che non sono ancora bloccati nelle stelle).

Inoltre, considera il paradosso degli Olbers , che indica che un Universo in espansione deve rendere conto del "cielo oscuro".

1. Pochi fotoni - Hai piccoli alunni. Solo i fotoni che riescono a viaggiare così tanto su quella distanza lungo un percorso che riesce a intersecarsi con i tuoi piccoli alunni avranno la possibilità di essere visti. E solo alcuni fotoni che raggiungono la tua retina interagiscono effettivamente con le molecole che registrano il loro arrivo.

2. Interferenza - Le molecole dell'atmosfera, la polvere nell'atmosfera, la riflessione / rifrazione di e nei tuoi occhi, la polvere nel sistema solare, la nuvola di Oort, la polvere interstellare nella nostra galassia, la polvere nello spazio intergalattico, qualsiasi molecola lungo tutto il percorso, tutti possono assorbire uno dei pochi fotoni e riemetterli in una direzione diversa.

3. Stabilità - I telescopi, in particolare come Hubble, possono essere ancora, molto, paragonati ai tuoi occhi. Non solo i tuoi occhi fanno costantemente piccoli cambiamenti, ma respiri e il tuo cuore batte e altre cose impediscono alle immagini molto deboli di potersi formare.

4. Esposizione: la prima immagine Hubble Deep Field è stata raccolta in circa 100 ore di esposizione . Potresti trovarlo difficile con i tuoi occhi.

5. Conservazione: il tempo di esposizione influisce sulla quantità di "dati" conservati su dove i fotoni hanno colpito la superficie di registrazione. I tuoi occhi non ricorderanno che un fotone si è registrato in un recettore anche un minuto prima. I tuoi occhi non sono affatto buoni per la "fotografia fissa".

6. Inquinamento luminoso / espansione universale - L'universo si sta espandendo da miliardi di anni. Mentre si espande, la luce che si propaga attraverso lo spazio "si estende" più fino all'estremità rossa dello spettro visibile. Per galassie distanti ciò significa effettivamente che la luce visibile da loro si è spostata abbastanza lontano da essere infrarossa e invisibile quando arriva qui. Ora anche la luce ultravioletta si sposterebbe, in parte diventando "visibile". Ma poi inizia a mescolarsi con qualsiasi effetto di "inquinamento luminoso" sparso una volta che arriva nella nostra atmosfera. I tuoi occhi non sono affatto bravi a tenere traccia di quali fotoni provengono da quali fonti.

Probabilmente ci sono altri fattori, ma forse quelli sono più che sufficienti per indicare quanto sia grande il problema. Si noti che l'immagine di Hubble delle prime 100 ore è stata una grande sorpresa per gli astronomi. Anche con i grandi telescopi per la raccolta della luce precedentemente disponibili, non erano in grado di ottenere abbastanza luce per ottenere dati utili. Quell'attrezzatura precedente aveva pupille molto più grandi delle tue, superfici di imaging più sensibili e poteva "stare ferma" molto più a lungo di te; e aveva ancora difficoltà con galassie distanti.

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E questo è in cima a tutti gli altri fattori, come spiegato in altre risposte (ma volevo chiarire questo particolare punto un po 'più lontano rispetto alle altre risposte).

Penso che la tua domanda sia una riformulazione di ciò che è noto come "paradosso di Obler" - vale a dire se l'universo è infinito perché il cielo notturno non è bianco, poiché prima o poi la nostra linea di mira colpisce una stella, e anche se molto lontano sarebbero infinite stelle là fuori.

La risposta è o (a) l'Universo non è infinito o (b) l'Universo non è mai stato qui per sempre, quindi anche se è infinito, la luce da molto lontano deve ancora raggiungerci.

Il caso (b) è generalmente accettato - cioè l'universo è iniziato un tempo finito nel "big bang" - sebbene (a) sia contestato - cioè può darsi che l'universo non sia infinito in ogni caso.

Può un essere umano vedere un singolo fotone?

L'occhio umano è molto sensibile ma possiamo vedere un singolo fotone? La risposta è che i sensori nel retinacan rispondono a un singolo fotone. Tuttavia, i filtri neurali consentono solo un segnale che passa al cervello per innescare una risposta cosciente quando almeno circa 5-9 arrivano entro meno di 100 ms. Se potessimo vedere consapevolmente singoli fotoni sperimenteremmo troppo "rumore" visivo in condizioni di scarsa luminosità, quindi questo filtro è un adattamento necessario, non una debolezza.

Secondo questo documento http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Quantum/see_a_photon.html

Poiché ciò non è sempre possibile per le galassie distanti non possiamo vedere galassie distanti.

Il nocciolo della domanda ha già ricevuto una risposta, ma è comunque interessante illustrare quanto sia difficile fare osservazioni ad occhio nudo di una galassia M81 estremamente luminosa nelle vicinanze. L'astronomo Brian Skiff dà conto del suo successo l'osservazione ad occhio nudo di questa galassia qui .

Ora, le galassie di una data luminosità sono più difficili da individuare rispetto alle stelle della stessa luminosità, a causa della loro natura estesa. Se il cielo è sufficientemente scuro, allora puoi vedere le stelle deboli come la magnitudine 8, ma farai ancora fatica a individuare M81 che ha una luminosità di magnitudo 7. La magnitudine 7 è una figura artificiale ottenuta sommando la luce che viene da direzioni leggermente diverse.

Inoltre, hai solo bisogno di una leggera quantità di inquinamento luminoso per rendere il cielo di sfondo leggermente più grigio per far scomparire la galassia dalla vista, mentre la visibilità delle stelle deboli rimane sostanzialmente inalterata. Questo perché la luminosità in funzione della posizione nel cielo nel caso di una stella ha un picco molto forte e stretto mentre nel caso di una galassia, a causa della sua natura estesa, non mostra un grande picco. La luminosità integrata può essere la stessa per entrambi i casi, ma la quantità di luce di sfondo necessaria per rendere invisibile la galassia è ovviamente molto inferiore a quella necessaria per la stella.