Почему мы не можем увидеть далекие галактики невооруженным глазом?

Конечно, если бы вы смотрели достаточно долго, свет от них в конце концов попал бы вам в глаза?

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

Во-первых, даже когда вы думаете, что смотрите на что-то, ваши глаза все равно немного танцуют. Это встроенная реакция, называемая глазным микротремором. Эти микротреморы, по-видимому, являются неотъемлемой частью работы системы зрения.

Во-вторых, ваш глаз не собирает и не может собирать свет в течение сколь угодно долгого времени (как это может сделать фотографический телескоп). В глазах и на пути к мозгу происходит огромное количество обработки сигналов. Эта обработка сигнала зависит от сбора света в течение коротких промежутков времени.

Наша система зрения эволюционировала, чтобы видеть еду, друзей и опасности при хорошем освещении. Мы очень хорошо видим движение средь бела дня. Мы не так хорошо видим стационарные объекты, и мы совсем не умеем 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 Треугольника, и это только в условиях очень темного и очень ясного неба.

Вовсе 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 галактики неправильной формы, называемые Малым и Большим Магеллановыми Облаками.

Причина, по которой более далекие галактики не видны, связана с законом обратных квадратов : по мере удаления световых частиц (фотонов) от галактики (или любого другого источника света) они распределяются по постоянно увеличивающейся поверхности. Это означает, что детектор (например, ваш глаз) данной области улавливает меньше фотонов, чем дальше он находится от галактики. Закон гласит, что если в интервале времени Δt в среднем он регистрирует, скажем, 8 фотонов на расстоянии D, то в том же временном интервале на расстоянии 2D он регистрирует 8/2 ² = 2 фотона. На расстоянии 4D он обнаружит 8/4 ² = 0,5 фотона. Или, что то же самое, потребуется вдвое больше времени, чтобы обнаружить один фотон.

Суть в том, что в принципе вы можете видеть очень далекие галактики, но фотонов так мало и они прибывают так редко, что ваш глаз не является достаточно хорошим детектором. Преимущество телескопа в том, что 1) он имеет большую площадь, чем ваш глаз, и 2) вы можете поставить камеру в его фокус вместо вашего глаза и сделать снимок с большой выдержкой, т.е. увеличить Δt.

Ваше рассуждение справедливо не только для галактик, но и 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 рассеянию света от удаленных объектов. Особенно в плоскости нашей Галактики у нас все еще много газа и пыли (Млечный Путь — относительно молодая галактика): действительно, чтобы посмотреть на далекий объект, мы пытаемся ориентировать наши телескопы на Дыру Локмана , когда это возможно.

Это особенно справедливо для низкочастотного света: при более высоких энергиях рассеяние и поглощение рентгеновских и гамма-лучей от стандартного количества поглощающего материала незначительно (даже если чем дальше вы смотрите, чем моложе объекты, тем больше доступна ли пыль и газ, которые еще не заперты в звездах).

Также рассмотрим парадокс Ольберса , который указывает на то, что расширяющаяся Вселенная объясняет «темное небо».

1. Мало фотонов — у вас крошечные зрачки. Только фотоны, которым удастся пройти такое большое расстояние по траектории, пересекающей ваши крошечные зрачки, будут иметь шанс быть замеченными. И только некоторые фотоны, которые достигают вашей сетчатки, на самом деле взаимодействуют с молекулами, которые регистрируют их прибытие.

2. Интерференция -- 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 они могут поглотить любой из нескольких фотонов и переизлучать их в другом направлении.

3. Стабильность. Телескопы, особенно такие, как Хаббл, могут быть очень, очень неподвижными по сравнению с вашими глазами. Мало того, что ваши глаза постоянно совершают крошечные движения, но вы дышите, ваше сердце бьется и другие вещи препятствуют формированию очень тусклых изображений.

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

5. Удержание. Время экспозиции влияет на то, сколько «данных» сохраняется о том, где фотоны попали на записывающую поверхность. Ваши глаза не запомнят, что фотон зарегистрировался на рецепторе даже минутой раньше. Ваши глаза совсем не годятся для «фотосъемки».

6. Световое загрязнение/вселенское расширение. Вселенная расширялась миллиарды лет. По мере своего расширения свет, распространяющийся в пространстве, больше «тянется» к красной части видимого спектра. Для далеких галактик это фактически означает, что видимый свет от них сместился достаточно далеко, чтобы стать инфракрасным и невидимым к тому времени, когда он достигает нас. Теперь ультрафиолетовый свет также сместится, и часть его станет «видимой». Но затем он начинает смешиваться с эффектами рассеянного «светового загрязнения», как только попадает в нашу атмосферу. Ваши глаза совсем не умеют отслеживать, какие фотоны исходят из каких источников.

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

Просто потому, что вы можете держать глаза открытыми для$x$секунды не означает, что вы собираете свет для$x$секунд и использовать его для формирования единого изображения в вашем мозгу. Как бы вы "сохранили" фото? Как бы вы решили, когда закончить сбор света? Вы не хуже меня знаете, что вы не можете просто оторвать палец от кнопки спуска затвора своего мозга!

И это помимо всех других факторов, как объяснено в других ответах (но я хотел уточнить этот конкретный момент немного дальше, чем другие ответы).

Я думаю, что ваш вопрос является переформулированием 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 таков: либо (а) Вселенная не бесконечна, либо (б) Вселенная не существовала вечно, поэтому, даже если она бесконечна, свет из очень далекого космоса еще не достиг нас.

Случай (б) общепринят, т.е. Вселенная началась конечное время назад в результате "большого взрыва" - хотя (а) оспаривается - т.е. может быть, что 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 сенсоры сетчатки реагируют на один фотон. Однако нейронные фильтры позволяют сигналу пройти в мозг, чтобы вызвать сознательный ответ, только когда по крайней мере от пяти до девяти поступает менее чем за 100 мс. Если бы мы могли сознательно видеть отдельные фотоны, мы бы ощущали слишком много визуального «шума» при очень слабом освещении, так что 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.

Ответ на основную часть вопроса уже дан, но все же интересно проиллюстрировать, насколько сложно наблюдать невооруженным глазом чрезвычайно яркую близлежащую галактику M81. Астроном Брайан Скифф описывает здесь свое успешное наблюдение этой галактики невооруженным глазом .

Теперь галактики данной яркости труднее обнаружить, чем звезды той же яркости, из-за их протяженной природы. Если небо достаточно темное, то вы сможете увидеть тусклые звезды с величиной 8, но вам все равно будет сложно обнаружить M81, яркость которой равна 7. Звездная величина 7 — это искусственная цифра, полученная путем сложения падающего света. немного с разных сторон.

Кроме того, вам нужно очень небольшое количество светового загрязнения, чтобы сделать фон неба 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 в зависимости от 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 большого пика. Интегральная яркость может быть одинаковой для обоих случаев, но количество фонового света, необходимое для того, чтобы сделать галактику невидимой, очевидно, намного меньше, чем нужно для звезды.