Как у нас есть фотографии галактик так далеко?

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

но если это правда, а галактики находятся на расстоянии миллиардов миль, не должны ли частицы света, испускаемые галактиками, рассеиваться повсюду? в конце концов, они путешествовали миллионы лет и, вероятно, столкнулись с астероидами и другими посторонними объектами. Каковы были шансы, что около 95% фотонов действительно достигли Земли, давая нам очень детальное изображение.

Рассмотрим галактику Андромеды, которая находится на расстоянии 1,492 × 10 ^ 19 миль от Земли. Если свет, излучаемый из галактики, распространяется во всех направлениях, то как получается, что мы все еще можем отобразить всю галактику, как видно из фотографии ниже?

Разве не хотелось бы, чтобы половина галактики отсутствовала, поскольку фотоны могли поразить другие объекты и «никогда не достигли земли»?

Есть две причины, по которым часто - но не всегда - свет от галактик, находящихся на расстоянии миллионов и даже миллиардов световых лет от Земли, до нас:

1. Во-первых, межгалактическая среда (IGM) чрезвычайно разбавлена. плотность частиц там порядка , или примерно на 26 порядков ниже, чем воздух на уровне моря! Это означает, что если вы рассмотрите трубу от Андромеды до Млечного Пути с площадью поперечного сечения , она будет содержать примерно одну микрограмму вещества (спасибо Робу Джеффрису за улавливание фактора ошибка).$n\sim10^{-7}\,\mathrm{cm}^{-3}$ 10 $1\,\mathrm{cm}^{2}$$10^6$

2. Во-вторых, даже если фотон приблизится к атому, он будет поглощен только в том случае, если его энергия близко соответствует некоторому переходу в атоме. Поскольку большинство атомов ионизировано (и, следовательно, их следует называть плазмой, но в астрономии это различие, если часто не проводится), нет электронов, поглощающих фотон. Фотоны с большей вероятностью взаимодействуют со свободными электронами посредством рассеяния Томсона, но сечение Томсона очень мало , поэтому даже если вы рассмотрите Фотоны CMB - которые прошли через Вселенную почти со времен Большого взрыва - только около 5% из них взаимодействовали с электронами на своем пути.$(\sim10^{-24}\,\mathrm{cm}^{2})$

Другими словами: количество прошедшего света зависит от двух факторов: 1) количества вещества вдоль линии обзора и 2) способности вещества поглощать свет. В IGM оба чрезвычайно малы. Когда свет входит в среди звездной среды (ISM) внутри нашей Галактики, он может столкнуться с более плотными облаками с атомами, которые способны поглощать свет. Но обычно (хотя и не всегда) «плотный» все еще очень разбавлен по сравнению с атмосферой Земли.

Как правило, если луч света проходит через область частиц, каждая из которых имеет поперечное сечение (измеряется, например, в см ), пропуская частиц на площадь пучка (измеряется, например, в см ), тогда непрозрачность среды определяется оптической глубиной , определяемой как Передаются фракция фотонов , то В целом, зависит от длины волны, и, таким образом, часть спектра может проходить беспрепятственно, тогда как другая часть может быть полностью поглощена.2 N - 2 τ τ ≡ $\sigma$$^2$$N$$^{-2}$ $\tau$f f = e - τ

На рисунке ниже ( отсюда ) показан спектр квазара, лежащего на расстоянии 22 миллиардов световых лет, то есть в 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 сводит нас к себе.$10\,000$

Поскольку свет, который мы видим от этого квазара, был испущен очень давно, тогда Вселенная была значительно меньше, и, следовательно, плотность была больше. Тем не менее, только небольшая часть поглощается. Чем дальше излучается свет, тем дольше он был, что означает меньшую Вселенную и более высокую плотность, и, следовательно, больше света поглощается. Если вы рассмотрите этот квазар ( отсюда ), который находится на расстоянии 27 миллиардов световых лет, вы увидите, что намного больше света поглощается в части спектра. Тем не менее, много света проходит через нас.

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

Как говорит Роб Джеффрис, вселенная - это в основном пустое пространство. Фотон может легко путешествовать тысячи световых лет, не взаимодействуя ни с чем. Большая часть взаимодействия будет происходить, когда фотоны попадают в атмосферу Земли. Хаббл избегает этого. Эти фотографии, скорее всего, представляли собой комбинацию нескольких сеансов просмотра, дающих в основном расширенный период времени для наблюдения за галактикой.

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

Если свет, излучаемый из галактики, распространяется во всех направлениях, то почему же мы все еще можем отобразить всю галактику?

Свет будет излучаемый из галактики во всех направлениях. Только крошечная, крошечная его часть направлена ​​на Землю, и из этого, любой данный телескоп собирает еще более крошечную фракцию. Но мы все еще можем видеть это, потому что галактики очень, очень яркие. Андромеда содержит около триллиона звезд.

Извините, если эта логика кажется несколько круглой, но мы можем получить незаметные изображения галактик, потому что они не скрыты.

Как было упомянуто - пространство действительно, действительно большое и действительно, действительно пустое. Нам трудно обдумывать это, потому что рядом с нами столько всего, но это действительно необычное состояние. Следующая звезда к Солнцу находится на расстоянии более 4 световых лет, но мы получаем почти весь (99,99999999999 ...%) свет от нее, который направлен в нашу сторону - то же самое со светом издали - мы получаем огромное количество фотоны, посланные нам от объектов очень далеко.

Хаббл также использует простые методы камеры с линзой и длительной экспозицией для съемки отдаленных объектов - поэтому для построения изображения поступает больше света.

Но, с другой стороны, практически невозможно сфотографировать галактику (или звезду), которая находится за другой галактикой или пылевым облаком. Например, мы не можем легко увидеть за пределами нашей собственной галактики, потому что на пути много пыли, газа и звезд. С другой стороны, изображение в вашем вопросе похоже на Андромеду, которая находится над плоскостью галактики. Наша галактика довольно тонкая по сравнению с диаметром, и мы достойный выход из галактического центра, а значит, на пути гораздо меньше.

И есть некоторые галактики, которые мы сделали, которые затенены пылью:

Там уже было несколько хороших ответов, но я хотел бы добавить свою двойку:

Как у нас есть фотографии галактик так далеко?

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

Возможный ответ на этот вопрос заключается в том, что свет, излучаемый галактиками, прошел миллиард миль до Земли, где космический телескоп Хаббла уловил этот свет через свои датчики и смог построить изображение галактики.

Это миллиард миль до Сатурна . Ну, на самом деле расстояние зависит от орбит, но посмотрите эту статью на Space.com : «В самом отдаленном месте, когда они лежат на противоположных сторонах солнца друг от друга, они находятся на расстоянии чуть более миллиарда миль (1,7 миллиарда километров)» , Галактика Андромеды составляет около пятнадцати миллиардов миллиардов миль. Или около пятнадцати квинтиллионных миль.

но если это правда, а галактики находятся на расстоянии миллиардов миль, не должны ли частицы света, испускаемые галактиками, рассеиваться повсюду?

Не забывайте, что фотоны имеют E = HF волновую природу. И даже если они разбросаны по воздуху, вы все равно можете видеть Луну. Да, в космосе немного света сбивается. Но не настолько, чтобы ночное небо было каким-то пустым туманом. Вы также можете увидеть Сатурн. И звезды. И галактики, но они довольно тусклые .

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

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

Рассмотрим галактику Андромеды, которая находится на расстоянии 1,492 × 10 ^ 19 миль от Земли. Если свет, излучаемый из галактики, распространяется во всех направлениях, то как получается, что мы все еще можем отобразить всю галактику, как видно из фотографии ниже?

Если бы я был освещен светом, я бы излучал свет во всех направлениях, и вы бы увидели меня, потому что часть этого света попадает в ваш глаз. Галактика Андомеда похожа.

Разве не хотелось бы, чтобы половина галактики отсутствовала, поскольку фотоны могли поразить другие объекты и «никогда не достигли земли»?

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

Позвольте мне дать несколько простых объяснений.

Нет нет нет. 95% фотонов не достигают Земли. Даже если бы 5% фотонов, испущенных (в течение нескольких секунд) только одной звездой, скажем, нашим Солнцем, достигли Земли, наша планета была бы полностью обожжена! Итак, на Андромеде сотни миллиардов звезд (или солнц). Ничто из этого не достигает нас, за исключением бесконечно малого числа. Это ошеломляет, как мало процент фотонов, которые достигают нас! Вы можете попытаться рассчитать это очень грубо. Очень легко вычислить, какой процент испускаемых Солнцем фотонов достигает Земли. А Солнце находится всего в 8 минутах от Земли, а Андромеда - на расстоянии более 2,5 миллионов лет! Так что, на самом деле, не так сложно представить, сколько фотонов достигает нас.

Теперь, почему астероиды, планеты или звезды не блокируют все? Андромеда слишком велика, чтобы ее можно было так заблокировать! Проще заблокировать вид на Тихий океан из космоса, поместив между ними несколько пылинок! Диаметр Андромеды составляет более 200 миллионов световых лет. Можем ли мы заблокировать это из поля зрения? На самом деле это может быть заблокировано чем-то большим, чем туманность, расположенная рядом с нашей солнечной системой. Такая туманность должна быть в диаметре много световых лет; оно должно быть достаточно плотным; и не слишком далеко К счастью, ничто подобное не блокирует эту прекрасную галактику с нашей точки зрения. Однако это происходит с некоторыми другими галактиками и объектами дальнего космоса. Что касается очень далеких туманностей, они не будут блокировать Андромеду с нашей точки зрения, потому что они будут выглядеть слишком маленькими на фоне Андромеды, которая намного дальше.

Почему свет не рассеивается? Почему это должно быть разбросано так сильно, чтобы Андромеда стала размытой? Когда Луна находится на горизонте, ее свет проходит через многие сотни миль плотной атмосферы, почти параллельной поверхности Земли; тем не менее, мы все еще можем натренировать наши телескопы на нем и увидеть различные особенности Луны. Это был бы не очень чистый вид, но мы все равно увидели бы многое. Теперь в космосе свет проходит через почти полный вакуум, особенно пуста пустота между галактиками. Таким образом, нет никакой причины для рассеивания света слишком много. Фотоны и многие другие частицы достаточно стабильны и могут путешествовать на гораздо большие расстояния: миллиарды световых лет. Еще один способ взглянуть на это - задать вопрос, сколько фотонов должно отклоняться от их прямого пути, чтобы Андромеда стала размытой для нас. Ну, они должны идти в сторону, и диаметр Андромеды слишком велик для этого. Это не кажется логичным, поскольку фотоны движутся по прямым линиям. Крупные объекты, такие как звезды и черные дыры, будут влиять на их путь, но диаметр Андромеды настолько велик, что это не вариант, если мы искусственно не разместим триллионы черных дыр вдоль линии между Андромедой и нашей солнечной системой в попытке исказить изображение Андромеды или чтобы эти черные дыры поглотили весь свет из галактики! Таким образом, когда астрономы говорят, что большая часть света достигает нас, они означают, что межгалактическое пространство является почти полным вакуумом, и фотоны, которые идут точно в нашем направлении, «свободны». Тем не менее, только бесконечно малое их количество идет точно в нашем направлении, и этого все еще достаточно для хороших фотографий. Зачем? Поэтому: Это не кажется логичным, поскольку фотоны движутся по прямым линиям. Крупные объекты, такие как звезды и черные дыры, будут влиять на их путь, но диаметр Андромеды настолько велик, что это не вариант, если мы искусственно не разместим триллионы черных дыр вдоль линии между Андромедой и нашей солнечной системой в попытке исказить изображение Андромеды или чтобы эти черные дыры поглотили весь свет из галактики! Таким образом, когда астрономы говорят, что большая часть света достигает нас, они означают, что межгалактическое пространство является почти полным вакуумом, и фотоны, которые идут точно в нашем направлении, «свободны». Тем не менее, только бесконечно малое их количество идет точно в нашем направлении, и этого все еще достаточно для хороших фотографий. Зачем? Поэтому: Это не кажется логичным, поскольку фотоны движутся по прямым линиям. Крупные объекты, такие как звезды и черные дыры, будут влиять на их путь, но диаметр Андромеды настолько велик, что это не вариант, если мы искусственно не разместим триллионы черных дыр вдоль линии между Андромедой и нашей солнечной системой в попытке исказить изображение Андромеды или чтобы эти черные дыры поглотили весь свет из галактики! Таким образом, когда астрономы говорят, что большая часть света достигает нас, они означают, что межгалактическое пространство является почти полным вакуумом, и фотоны, которые идут точно в нашем направлении, «свободны». Тем не менее, только бесконечно малое их количество идет точно в нашем направлении, и этого все еще достаточно для хороших фотографий. Зачем? Поэтому: как звезды и черные дыры будут влиять на их путь, но диаметр Андромеды настолько велик, что это не вариант, если мы искусственно не разместим триллионы черных дыр вдоль линии между Андромедой и нашей солнечной системой, пытаясь исказить изображение Андромеды. или заставить эти черные дыры поглотить весь свет из галактики! Таким образом, когда астрономы говорят, что большая часть света достигает нас, они означают, что межгалактическое пространство является почти полным вакуумом, и фотоны, которые идут точно в нашем направлении, «свободны». Тем не менее, только бесконечно малое их количество идет точно в нашем направлении, и этого все еще достаточно для хороших фотографий. Зачем? Поэтому: как звезды и черные дыры будут влиять на их путь, но диаметр Андромеды настолько велик, что это не вариант, если мы искусственно не разместим триллионы черных дыр вдоль линии между Андромедой и нашей солнечной системой, пытаясь исказить изображение Андромеды. или заставить эти черные дыры поглотить весь свет из галактики! Таким образом, когда астрономы говорят, что большая часть света достигает нас, они означают, что межгалактическое пространство является почти полным вакуумом, и фотоны, которые идут точно в нашем направлении, «свободны». Тем не менее, только бесконечно малое их количество идет точно в нашем направлении, и этого все еще достаточно для хороших фотографий. Зачем? Поэтому: если мы искусственно не разместим 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! Таким образом, когда астрономы говорят, что большая часть света достигает нас, они означают, что межгалактическое пространство является почти полным вакуумом, и фотоны, которые идут точно в нашем направлении, «свободны». Тем не менее, только бесконечно малое их количество идет точно в нашем направлении, и этого все еще достаточно для хороших фотографий. Зачем? Поэтому: если мы искусственно не разместим 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! Таким образом, когда астрономы говорят, что большая часть света достигает нас, они означают, что межгалактическое пространство является почти полным вакуумом, и фотоны, которые идут точно в нашем направлении, «свободны». Тем не менее, только бесконечно малое их количество идет точно в нашем направлении, и этого все еще достаточно для хороших фотографий. Зачем? Поэтому: только бесконечно малое их количество идет точно в нашем направлении, и этого вполне достаточно для красивых фотографий. Зачем? Поэтому: только бесконечно малое их количество идет точно в нашем направлении, и этого вполне достаточно для красивых фотографий. Зачем? Поэтому:

$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$

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

Надеюсь, это примитивное объяснение поможет. Андромеда видна сегодня, если позволяет погода :)