Если наша галактика в основном состоит из пустого пространства, то почему она выглядит такой твердой?

Вы в основном пустое пространство. Каждый атом в вашем теле очень мал по сравнению с относительно огромными пространствами между ним и его ближайшими соседями. И то же самое касается каждого «твердого» объекта, который вы когда-либо видели.

Но когда вы смотрите на себя в зеркало, количество атомов, которые вы видите, настолько невероятно велико, что вы не видите промежутков между ними, а вместо этого думаете, что ваше тело — это твердый объект.

И, вероятно, длины волн видимого света слишком велики, чтобы поместиться между атомами и, таким образом, отразиться от поверхности вашего тела.

Это не относится к галактике, поскольку промежутки между звездами в галактике достаточно широки, чтобы свет со всеми длинами волн мог проходить сквозь него, а не отражаться.

Но если посмотреть на нашу галактику с расстояния около миллиона световых лет, то среднее расстояние между звездами около 6 световых лет будет очень маленьким углом. Я считаю, что на расстоянии в один миллион световых лет одна угловая секунда будет иметь ширину около 4,848 световых лет.

Максимальное угловое разрешение человеческого глаза составляет 28 угловых секунд или 0,47 угловых минут,[19] это дает угловое разрешение 0,008 градуса, а на расстоянии 1 км соответствует 136 мм. Это равно 0,94 угловых минуты на пару линий (одна белая и одна черная линия) или 0,016 градуса. Для пары пикселей (один белый и один черный пиксель) это дает плотность пикселей 128 пикселей на градус (PPD).

https://en.wikipedia.org/wiki/Visual_acuity#Physiology[1]

Таким образом, на расстоянии в один миллион световых лет наименьшая деталь, которую может увидеть человек, будет иметь ширину 28 угловых секунд или 135,7 световых года. Таким образом, наименьшая возможная вещь, которую вы могли бы увидеть, была бы квадратом шириной примерно 136 на 136 световых лет, и, возможно, содержащим около 350 звезд в одном слое и все обширные межзвездные пространства между ними.

Кроме того, галактики не имеют глубины в один слой. В зависимости от размера галактики, распределения звезд в ней и угла обзора наблюдатель может увидеть десятки, сотни или тысячи слоев звезд, расположенных один за другим. Звезды не расположены по какой-либо регулярной решетке, а вращаются вокруг центра галактики по отдельным орбитам, и их относительные положения медленно меняются, что делает их относительные положения случайными.

Таким образом, пустые пространства между звездами в самом внешнем слое галактики будут показывать свет звезд, находящихся дальше от них.

Поэтому, когда вы смотрите на галактику с расстояния в один миллион световых лет, самая маленькая часть галактики, которую вы можете видеть, будет иметь свет сотен или, возможно, тысяч звезд, смешанный вместе с черным пространством между ними, образуя бледно-сероватый свет.

Самые далекие объекты, которые люди могут видеть невооруженным глазом, — это галактика Андомеды M31 на расстоянии около 2 540 000 световых лет от Земли и галактика Треугольника M33 на расстоянии около 3 200 000 световых лет от Земли. Так как они удалены от нас на несколько миллионов световых лет, то самая малая их часть, которую можно увидеть невооруженным глазом, будет объединять воедино свет еще большего количества тысяч звезд.

Астрономы сфотографировали галактики, удаленные от нас на десятки миллионов, сотни миллионов, миллиарды и десятки миллиардов световых лет. С помощью астрономических телескопов они могут обнаружить отдельные звезды в галактиках, удаленных от нас на десятки миллионов световых лет.

Но любая фотография, на которой изображена целая галактика, покажет свет миллионов или миллиардов звезд, слившихся в сгусток света.

Действительная прозрачность чего-либо зависит от того, пройдет ли световой луч сквозь объект или ударится о что-то, поглощаясь или рассеиваясь. Общая площадь поперечного сечения звезд галактики микроскопична. Вот почему галактику заднего плана можно увидеть сквозь галактику переднего плана в NGC3314 :

Однако в этом смысле пыль может быть на самом деле непрозрачной. Если у вас есть объем$V$вещества и разделить его на$N$выпуклые части, они будут иметь среднюю площадь$\propto (V/N)^{2/3}$и среднее сечение 1/4 от этого . Но есть$N$штук, поэтому общая площадь поперечного сечения будет вести себя как$N^{-2/3}\times N \propto N^{1/3}$: по мере роста количества фрагментов увеличивается площадь затенения света, несмотря на то, что каждый фрагмент в отдельности с меньшей вероятностью закрывает какой-либо заданный луч. Вот почему межзвездная пыль может образовывать темные облака и полосы, которые на самом деле скрывают вещи за собой, несмотря на небольшую общую массу (она непрозрачна в видимом свете; они прозрачны в других длинах волн). Некоторые пылевые галактики могут быть довольно непрозрачными , но пыль обычно концентрируется в некоторых областях, оставляя остальные прозрачными.

Кажущаяся прозрачность также зависит от того, затмевает ли свет, излучаемый объектом, слабый свет, проходящий через него. Близлежащая галактика будет намного ярче, чем удаленная галактика за ней, поэтому ее будет трудно различить на фоне бликов на переднем плане.

Один из способов подумать об этом — подумать о том, что, например, увидит (видит!) цифровой сенсор, глядя на галактику. Даже если нет пыли, рассеивающей свет (что часто бывает), если в большинстве случаев есть одна или несколько (обычно «больше») звезд в части изображения, покрываемой пикселем в датчике, то это пиксель будет включен хотя бы частично. Таким образом, галактика будет выглядеть как более или менее сплошной яркий объект. Только когда вы доберетесь до достаточно больших увеличений, когда средний пиксель сенсора не покрывает часть изображения со звездой, вы начнете видеть галактику такой, какая она есть, то есть чем-то, что не является абсолютно ярким. объект.

Очевидно, что глаза и пленка — это не совсем то же самое, что цифровые датчики, но здесь применимо то же самое.

Во-первых, вы правы в том, что галактики в основном представляют собой пустое пространство, по крайней мере, с точки зрения звезд. В Млечном Пути может быть до 400 миллиардов звезд, а в Андромеде их примерно в два с половиной раза больше. Для Млечного Пути, который выходит примерно на одну звезду каждые четыре световых года, в среднем.

Однако если смотреть с большого расстояния, эти звезды чрезвычайно ярки на темном фоне. Четыреста миллионов чего угодно на глянце 6x10 будут выглядеть комком.

Но галактики — это больше, чем звезды; есть также огромное количество газа и пыли с разбросанными более крупными кусками породы. Часть света этих звезд взаимодействует с этим газом и пылью, иногда отражаясь, а иногда поглощая и переизлучая. Это рассеивает свет почти так же, как абажур рассеивает свет от лампочки. Кажется, что абажур представляет собой твердую массу чего-то, но на самом деле это иллюзия, если хотите, вызванная рассеянием или рассеиванием гораздо меньшего центрального света. Возможно, вы видели очень большие воздушные шары, зажженные от относительно слабого источника света; кажется, что весь воздушный шар светится.

Этот воздушный шар освещается одним маленьким светодиодом. Помните, однако, что именно газ и пыль, а не какая-либо мембрана, рассеивают свет в галактиках, и что пыль и газ могут быть освещены любым количеством звезд. Таким образом, сочетание экстремального расстояния, огромного количества звезд и диффузии из пыли и газа, в отличие от темноты пространства, окружающего галактики, по существу является наблюдаемым нами эффектом и придает галактикам их «твердый» вид.

Не верьте своим глазам, когда они говорят вам, что что-то твердое.

Пожалуйста, помните, что звезды — это солнца.

Итак, если бы наша галактика была действительно твердой, вы бы смотрели прямо на поверхность звезды в каждой точке Млечного Пути, и это означало бы полосу на небе, где каждая точка сияет так же ярко, как солнце. Тогда Млечный Путь был бы в 100 раз ярче дневного света нашего Солнца.

Мы все знаем, что это неправда.

Это наши глаза (а также оптические приборы) не могут по-настоящему оценить, насколько малы солнечные яркие пятна галактики и насколько обширно черное пространство между ними. Тот факт, что Млечный Путь кажется таким же тусклым, говорит нам о том, что отношение сияющих пятен (звезд) к темным областям (пустому пространству) должно быть очень и очень низким.

Для сравнения, когда вы смотрите на экран вашего компьютера, вы получаете впечатление сплошной белой поверхности, но на самом деле это множество крошечных красных, зеленых и синих пятен, и только наш ограниченный взгляд интегрирует это в сплошную поверхность. .