Откуда у нас фотографии галактик так далеко?

Есть две причины, по которым часто — но не всегда — свет от галактик, удаленных от нас на миллионы и даже миллиарды световых лет, проходит через Вселенную и доходит до нас:

1. Во-первых, межгалактическая среда (МГС) чрезвычайно разрежена. Численная плотность частиц там порядка$n\sim10^{-7}\,\mathrm{cm}^{-3}$, или примерно на 26 порядков ниже, чем воздух на уровне моря! Это означает, что если вы рассматриваете трубу от Андромеды до Млечного Пути с площадью поперечного сечения$1\,\mathrm{cm}^{2}$, он будет содержать примерно один микрограмм материи (спасибо Робу Джеффрису за обнаружение фактора$10^6$ошибка).

2. Во-вторых, даже если фотон приблизится к атому, он будет поглощен только в том случае, если его энергия точно соответствует какому-то переходу в атоме. Поскольку большинство атомов ионизированы (и поэтому вместо этого их следует называть плазмой, но в астрономии это различие часто не проводится), нет электронов, которые могли бы поглотить фотон. Фотоны, скорее всего, взаимодействуют со свободными электронами посредством томсоновского рассеяния, но сечение Томсона чрезвычайно мало.$(\sim10^{-24}\,\mathrm{cm}^{2})$, так что даже если учесть фотоны реликтового излучения , которые путешествовали по Вселенной почти со времен Большого взрыва, только около 5% из них взаимодействовали с электронами на своем пути.

Другими словами: количество проходящего света зависит от двух факторов: 1) количества материи вдоль луча зрения и 2) способности этой материи поглощать свет. В IGM оба чрезвычайно малы. Когда свет входит в межзвездную среду (МЗС) внутри нашей галактики, он может столкнуться с более плотными облаками с атомами, способными поглощать свет. Но обычно (хотя и не всегда) «плотная» все же очень разреженная по сравнению с земной атмосферой.

В общем, если луч света проходит через область частиц, каждая с поперечным сечением$\sigma$(измеряется, например, в см$^2$), проходя$N$частиц на площадь луча (измеряется, например, в см$^{-2}$), то непрозрачность среды определяется оптической толщиной $\tau$, определяется

На рисунке ниже ( отсюда ) показан спектр квазара, лежащего на расстоянии 22 миллиарда световых лет, т.е.$10\,000$раз дальше, чем Андромеда. Вы видите, что есть несколько тонких линий поглощения (вызванных промежуточными водородными облаками, плотность которых в 10-100 раз выше, чем у IGM), но все же большая часть света доходит до нас.

Поскольку свет, который мы видим от этого квазара, излучался так давно, Вселенная в то время была значительно меньше, и, следовательно, плотность была больше. Тем не менее, только небольшая часть поглощается. Чем дальше излучается свет, тем давнее это было, а это означает, что Вселенная меньше, а плотность выше, а значит, тем больше света поглощается. Если вы посмотрите на этот квазар ( отсюда ), который находится на расстоянии 27 миллиардов световых лет, вы увидите, что в части спектра поглощается гораздо больше света. Тем не менее, к нам проникает много света.

Причина, по которой поглощаются только короткие волны, довольно интересна, но это уже другая история.

Как говорит Роб Джеффрис, вселенная в основном состоит из пустого пространства. Фотон может легко путешествовать на тысячи световых лет, ни с чем не взаимодействуя. Большая часть взаимодействия произойдет, когда фотоны войдут в атмосферу Земли. Хаббл избегает этого. Эти фотографии, скорее всего, были получены в результате объединения нескольких сеансов наблюдения, что в основном дает длительный период наблюдения за галактикой.

В вашем вопросе есть неправильное представление, я не думаю, что другие ответы касались.

Если свет, излучаемый галактикой, распространяется во всех направлениях, то как же мы можем нанести на карту всю галактику?

Свет излучается из галактики во всех направлениях. Только крошечная, крошечная часть его направляется на Землю, и из этого еще меньшая часть собирается любым данным телескопом. Но мы все еще можем это видеть, потому что галактики очень и очень яркие. Андромеда содержит около триллиона звезд.

Извините, если эта логика кажется немного замкнутой, но мы можем получить незатененные изображения галактик, потому что они не затенены.

Как уже упоминалось, пространство очень, очень большое и очень, очень пустое. Нам трудно это созерцать, потому что рядом с нами так много вещей, но на самом деле это действительно необычное состояние. Ближайшая к Солнцу звезда находится на расстоянии более 4 световых лет, но мы получаем почти весь (99,9999999999...%) свет от нее, который направляется в нашу сторону - то же самое и со светом издалека - мы получаем огромное количество фотоны, посланные к нам от объектов очень далеко.

Хаббл также использует простые приемы камеры, такие как линзирование и длительные выдержки, для получения изображений удаленных объектов, поэтому для построения изображения принимается больше света.

Но, с другой стороны, почти невозможно сфотографировать галактику (или звезду), которая находится за другой галактикой или пылевым облаком. Например, мы не можем легко увидеть центр нашей собственной галактики, потому что на пути много пыли, газа и звезд. Изображение в вашем вопросе, с другой стороны, похоже на Андромеду, которая находится над плоскостью галактики. Наша галактика довольно тонкая по сравнению с ее диаметром, и мы на приличном расстоянии от галактического центра, а это означает, что на пути гораздо меньше вещей.

И есть некоторые галактики , изображения которых скрыты пылью:

Уже было несколько хороших ответов, но я хотел бы добавить свои два пенни:

Откуда у нас фотографии галактик так далеко?

Потому что между ними и нами нет ничего такого, что мешало бы свету, попадающему на наши камеры.

Возможный ответ на это заключается в том, что свет, излучаемый галактиками, прошел миллиард миль до Земли, где космический телескоп Хаббл уловил этот свет своими датчиками и смог построить изображение галактики.

До Сатурна миллиард миль . Ну, на самом деле расстояние зависит от орбиты, но см. эту статью на Space.com : «На самом дальнем расстоянии, когда они лежат на противоположных сторонах солнца друг от друга, они находятся на расстоянии чуть более миллиарда миль (1,7 миллиарда км) друг от друга». . Галактика Андромеды находится примерно в пятнадцати миллиардах миллиардов миль от нас. Или около пятнадцати квинтиллионов миль.

но если это правда, и галактики находятся на расстоянии в миллиарды миль, не должны ли световые частицы, испускаемые галактиками, рассеиваться повсюду?

Не забывайте, что фотоны имеют волновую природу E=hf. И что хоть они и рассеяны в воздухе, но все же можно увидеть Луну. Да, в космосе немного света сбивается. Но не настолько, чтобы ночное небо было каким-то пустым туманным туманом. Вы также можете увидеть Сатурн. И звезды. И галактики, но они довольно тусклые .

в конце концов, они путешествовали миллионы лет и, вероятно, сталкивались с астероидами и другими посторонними объектами. Каковы были шансы, что около 95% фотонов действительно достигли Земли, дав нам очень детальное изображение?

Шансы высоки. У нас есть фотографии планет и прочего, потому что шансы высоки.

Рассмотрим галактику Андромеды, которая находится на расстоянии 1,492 × 10 ^ 19 миль от Земли. Если свет, излучаемый галактикой, распространяется во всех направлениях, то как же мы можем нанести на карту всю галактику, как это видно на фотографии ниже?

Если бы я был покрыт светом, я бы излучал свет во всех направлениях, и вы бы увидели меня, потому что часть этого света попадает вам в глаза. Галактика Андомеда аналогична.

Разве половина галактики не должна исчезнуть, поскольку фотоны могли попасть в другие объекты и «никогда не достигли Земли»?

Нет. И если бы половина фотонов не достигла Земли, вы бы просто увидели более тусклую галактику, вот и все.

Позвольте мне дать несколько простых пояснений.

Нет нет нет. 95% фотонов не достигают Земли. Даже если бы 5% фотонов, испускаемых (в течение нескольких секунд) всего одной звездой, скажем, нашим Солнцем, достигли Земли, наша планета была бы полностью выжжена! Итак, в Андромеде сотни миллиардов звезд (или солнц). Ничего из этого до нас не доходит, за исключением бесконечно малого количества. Уму непостижимо, насколько мал процент фотонов, достигающих нас! Вы можете попытаться рассчитать это очень грубо. Очень легко подсчитать, какой процент фотонов, испускаемых Солнцем, достигает Земли. А Солнце находится всего в 8 минутах от Земли, а до Андромеды более 2,5 миллионов лет! Так что на самом деле не так уж сложно представить, сколько фотонов достигает нас.

Теперь, почему астероиды, планеты или звезды не блокируют все? Андромеда слишком велика, чтобы ее можно было так заблокировать! Легче закрыть вид на Тихий океан из космоса, поместив между ними несколько пылинок! Диаметр Андромеды составляет более 200 миллионов световых лет. Можем ли мы заблокировать его от просмотра? На самом деле он может быть заблокирован чем-то большим, например, туманностью вблизи нашей Солнечной системы. Такая туманность должна быть много световых лет в диаметре; он должен быть достаточно плотным; и не слишком далеко. К счастью, ничто подобное не закрывает эту прекрасную галактику от нашего взгляда. Однако это происходит с некоторыми другими галактиками и объектами дальнего космоса. Что же касается очень далеких туманностей, то они не загораживают Андромеду из нашего поля зрения, потому что будут выглядеть слишком маленькими на фоне Андромеды, которая находится гораздо дальше.

Почему свет не рассеивается? Почему он должен быть так рассеян, чтобы сделать Андромеду размытой? Когда Луна находится на горизонте, ее свет проходит через многие сотни миль плотной атмосферы почти параллельно поверхности Земли; тем не менее, мы все еще можем направить на него наши телескопы и увидеть различные особенности Луны. Это был бы не очень чистый вид, но мы бы все равно многое увидели. Сейчас в космосе свет проходит через почти полный вакуум, особенно пуста пустота между галактиками. Таким образом, нет причин слишком сильно рассеивать свет. Фотоны и многие другие частицы достаточно стабильны и могут перемещаться на гораздо большие расстояния: миллиарды световых лет. Другой способ взглянуть на это — задать вопрос, насколько фотоны должны отклониться от своего прямого пути, чтобы Андромеда стала для нас размытой. Ну, им приходится много ходить боком, а диаметр Андромеды слишком велик для этого. Это не кажется логичным, поскольку фотоны движутся прямолинейно. Крупные объекты, такие как звезды и черные дыры, будут влиять на их траекторию, но диаметр Андромеды настолько огромен, что это невозможно, если только мы не разместим искусственно триллионы черных дыр вдоль линии между Андромедой и нашей Солнечной системой в попытке исказить изображение Андромеды или заставить эти черные дыры поглотить весь свет из галактики! Итак, когда астрономы говорят, что большая часть света доходит до нас, они имеют в виду, что межгалактическое пространство представляет собой почти полный вакуум, и фотоны, которые идут точно в нашу сторону, «свободны» для движения. Но только бесконечно малое их количество идет именно в нашу сторону, и этого вполне достаточно для красивых фотографий. Почему? Вот почему: Это не кажется логичным, поскольку фотоны движутся прямолинейно. Крупные объекты, такие как звезды и черные дыры, будут влиять на их траекторию, но диаметр Андромеды настолько огромен, что это невозможно, если только мы не разместим искусственно триллионы черных дыр вдоль линии между Андромедой и нашей Солнечной системой в попытке исказить изображение Андромеды или заставить эти черные дыры поглотить весь свет из галактики! Итак, когда астрономы говорят, что большая часть света доходит до нас, они имеют в виду, что межгалактическое пространство представляет собой почти полный вакуум, и фотоны, которые идут точно в нашу сторону, «свободны» для движения. Но только бесконечно малое их количество идет именно в нашу сторону, и этого вполне достаточно для красивых фотографий. Почему? Вот почему: Это не кажется логичным, поскольку фотоны движутся прямолинейно. Крупные объекты, такие как звезды и черные дыры, будут влиять на их траекторию, но диаметр Андромеды настолько огромен, что это невозможно, если только мы не разместим искусственно триллионы черных дыр вдоль линии между Андромедой и нашей Солнечной системой в попытке исказить изображение Андромеды или заставить эти черные дыры поглотить весь свет из галактики! Итак, когда астрономы говорят, что большая часть света доходит до нас, они имеют в виду, что межгалактическое пространство представляет собой почти полный вакуум, и фотоны, которые идут точно в нашу сторону, «свободны» для движения. Но только бесконечно малое их количество идет именно в нашу сторону, и этого вполне достаточно для красивых фотографий. Почему? Вот почему: как звезды и черные дыры будут влиять на их путь, но диаметр Андромеды настолько огромен, что это не вариант, если только мы не разместим искусственно триллионы черных дыр вдоль линии между Андромедой и нашей Солнечной системой в попытке исказить изображение Андромеды. или заставить эти черные дыры поглотить весь свет галактики! Итак, когда астрономы говорят, что большая часть света доходит до нас, они имеют в виду, что межгалактическое пространство представляет собой почти полный вакуум, и фотоны, которые идут точно в нашу сторону, «свободны» для движения. Но только бесконечно малое их количество идет именно в нашу сторону, и этого вполне достаточно для красивых фотографий. Почему? Вот почему: как звезды и черные дыры будут влиять на их путь, но диаметр Андромеды настолько огромен, что это не вариант, если только мы не разместим искусственно триллионы черных дыр вдоль линии между Андромедой и нашей Солнечной системой в попытке исказить изображение Андромеды. или заставить эти черные дыры поглотить весь свет галактики! Итак, когда астрономы говорят, что большая часть света доходит до нас, они имеют в виду, что межгалактическое пространство представляет собой почти полный вакуум, и фотоны, которые идут точно в нашу сторону, «свободны» для движения. Но только бесконечно малое их количество идет именно в нашу сторону, и этого вполне достаточно для красивых фотографий. Почему? Вот почему: если только мы не разместим искусственно триллионы черных дыр вдоль линии между Андромедой и нашей Солнечной системой в попытке исказить образ Андромеды или заставить эти черные дыры поглотить весь свет из галактики! Итак, когда астрономы говорят, что большая часть света доходит до нас, они имеют в виду, что межгалактическое пространство представляет собой почти полный вакуум, и фотоны, которые идут точно в нашу сторону, «свободны» для движения. Но только бесконечно малое их количество идет именно в нашу сторону, и этого вполне достаточно для красивых фотографий. Почему? Вот почему: если только мы не разместим искусственно триллионы черных дыр вдоль линии между Андромедой и нашей Солнечной системой в попытке исказить образ Андромеды или заставить эти черные дыры поглотить весь свет из галактики! Итак, когда астрономы говорят, что большая часть света доходит до нас, они имеют в виду, что межгалактическое пространство представляет собой почти полный вакуум, и фотоны, которые идут точно в нашу сторону, «свободны» для движения. Но только бесконечно малое их количество идет именно в нашу сторону, и этого вполне достаточно для красивых фотографий. Почему? Вот почему: только бесконечно малое их количество идет именно в нашу сторону и этого достаточно для красивых фото. Почему? Вот почему: только бесконечно малое их количество идет именно в нашу сторону и этого достаточно для красивых фото. Почему? Вот почему:

Абсолютная величина (относительная светимость по сравнению со светимостью объекта$40$раз ярче Солнца на расстоянии$33$световых лет) Андромеды около$-21.5$. Наше Солнце только вокруг$5$. Чем выше число, тем тусклее объект. Объект с абсолютной величиной$1$было бы$2.5^{5-1}=40$раз ярче Солнца. Разница между Андромедой и нашим Солнцем$-21.5-5=-26.5$. Это означает, что Андромеда очень приблизительно$2.5^{26.5}\approx 40,000,000,000$раз ярче Солнца.

Что касается того, насколько велика она на ночном небе, то в длину она примерно в шесть раз больше диаметра Луны, но вы можете видеть только яркую центральную часть. Чтобы увидеть всю протяженность, вам нужен телескоп с большой апертурой и фотография с длинной выдержкой, чтобы собрать больше света и получить более качественное и детальное изображение.

Надеюсь, это примитивное объяснение будет кому-то полезно. Андромеду можно увидеть сегодня, если позволит погода :)