Warum können wir ferne Galaxien nicht mit bloßem Auge sehen?

Wenn das Licht in einer geraden Linie weiterläuft, warum können wir dann entfernte Galaxien nicht mit bloßem Auge sehen? Sicher, wenn Sie lange genug starrten, würde das Licht von ihnen schließlich Ihr Auge treffen? Ich entschuldige mich, wenn dies eine dumme Frage ist :)

Sicher, wenn Sie lange genug starrten, würde das Licht von ihnen schließlich Ihr Auge treffen?

Durch das Sammeln von Licht über einen langen Zeitraum hinweg können Teleskope sehr dunkle Objekte sehen. Das menschliche visuelle System funktioniert nicht so.

Zum einen tanzen deine Augen immer noch ein bisschen herum, selbst wenn du denkst, du starrst auf etwas. Es handelt sich um eine integrierte Reaktion, die als Mikrotremor des Auges bezeichnet wird. Diese Mikrotremore scheinen ein wesentlicher Bestandteil der Funktionsfähigkeit des Bildverarbeitungssystems zu sein.

Zum anderen sammelt und kann Ihr Auge über einen willkürlich langen Zeitraum kein Licht (wie es ein fotografisches Teleskop kann). Es gibt eine immense Menge an Signalverarbeitung, die im Auge und auf dem Weg zum Gehirn stattfindet. Diese Signalverarbeitung hängt davon ab, dass Licht für kurze Zeiträume gesammelt wird.

Unser Vision-System hat sich dahingehend weiterentwickelt, dass wir Lebensmittel, Freunde und Gefahren unter gut beleuchteten Bedingungen sehen können. Wir sind sehr gut darin, Bewegung am helllichten Tag zu sehen. Wir sind nicht so gut darin, stationäre Objekte zu sehen, und wir sind überhaupt nicht gut darin, kaum sichtbare Quellen unter sehr dunklem Himmel zu sehen.

Die Astronomie mit bloßem Auge ist durch die Natur des menschlichen Sichtsystems begrenzt. Das am weitesten entfernte Objekt, das wir sehen können, ist die Triangulum-Galaxie, und das nur bei extrem dunklem und extrem klarem Himmel.

Überhaupt keine blöde Frage, aber eigentlich kann man ferne Galaxien mit bloßem Auge sehen. Von der nördlichen Hemisphäre aus ist die Andromeda-Galaxie, unsere größte benachbarte Galaxie, sichtbar, wenn Sie wissen, wo Sie suchen müssen, und sie befindet sich an einem halbwegs dunklen Ort. Von der südlichen Hemisphäre aus sind die beiden kleineren, aber näher gelegenen, unregelmäßigen Galaxien sichtbar, die als kleine und große Magellanwolken bezeichnet werden.

Der Grund dafür, dass weiter entfernte Galaxien nicht sichtbar sind, ist das Gesetz des umgekehrten Quadrats : Wenn die Lichtteilchen (Photonen) aus der Galaxie (oder einer anderen Lichtquelle) austreten, werden sie auf einer immer größer werdenden Oberfläche verteilt. Das bedeutet, dass ein Detektor (z. B. Ihr Auge) eines bestimmten Bereichs weniger Photonen fängt, je weiter er von der Galaxie entfernt ist. Das Gesetz besagt, dass wenn in einem Zeitintervall Δt im Durchschnitt 8 Photonen in einem Abstand D erfasst werden, dann in demselben Zeitintervall in einem Abstand 2D 8/2 ² = 2 Photonen erfasst werden. In einer Entfernung von 4D werden 8/4 ² = 0,5 Photonen erfasst. Oder es wird äquivalent dazu das Doppelte der Zeit benötigen, um ein einzelnes Photon zu detektieren.

Die Quintessenz ist, dass Sie im Prinzip die weit entfernten Galaxien sehen können, aber die Photonen sind so klein und kommen so selten an, dass Ihr Auge kein ausreichender Detektor ist. Der Vorteil eines Teleskops besteht darin, dass 1) es einen größeren Bereich als Ihr Auge hat und 2) Sie anstelle Ihres Auges eine Kamera in den Fokus setzen und ein Bild mit einer großen Belichtungszeit aufnehmen können, dh das Δt erhöhen.

Ihre Überlegungen gelten nicht nur für Galaxien, sondern auch für Sterne und alles, was im Universum scheint, aber es gibt einen wichtigen Effekt, der dies zunichte macht: die Absorption von Licht.

Das intergalaktische und interstellare Medium ist mit Staub und Gas gefüllt, die dazu beitragen, das Licht von entfernten Objekten zu absorbieren und zu streuen. Besonders auf der Ebene unserer Galaxie haben wir immer noch viel Gas und Staub (die Milchstraße ist eine relativ junge Galaxie). Um ein entferntes Objekt zu betrachten, versuchen wir, unsere Teleskope , wann immer es möglich ist, auf das Lockman-Loch auszurichten .

Dies gilt insbesondere für niederfrequentes Licht: Bei höheren Energien ist die Streuung und Absorption von Röntgen- und Gammastrahlen aus der Standardmenge an absorbierendem Material vernachlässigbar (auch wenn die Objekte umso jünger sind, je weiter Sie schauen) ist der Staub und das Gas vorhanden, die noch nicht in Sternen eingeschlossen sind).

Denken Sie auch an das Olbers-Paradoxon , das darauf hindeutet, dass ein expandierendes Universum den "dunklen Himmel" erklärt.

1. Wenige Photonen - Sie haben winzige Pupillen. Nur Photonen, die es schaffen, auf einem Weg, der sich mit Ihren winzigen Pupillen schneidet, so weit über diese Distanz zu wandern, haben eine Chance, gesehen zu werden. Und nur einige Photonen, die Ihre Netzhaut erreichen, interagieren tatsächlich mit Molekülen, die ihre Ankunft registrieren.

2. Interferenz - Die Moleküle der Atmosphäre, Staub in der Atmosphäre, Reflexion / Brechung von und in Ihrem Auge, Staub im Sonnensystem, die Oortenwolke, interstellarer Staub in unserer Galaxie, Staub im intergalaktischen Raum, jedes Molekül entlang der gesamten Oberfläche Weg, alle können eines der wenigen Photonen absorbieren und sie wieder in eine andere Richtung emittieren.

3. Stabilität - Teleskope, insbesondere wie Hubble, können wirklich, wirklich noch mit Ihren Augen verglichen werden. Nicht nur, dass Ihre Augen ständig kleine Bewegungen machen, sondern Sie atmen und Ihr Herzschlag und andere Dinge verhindern, dass sich sehr dunkle Bilder bilden können.

4. Belichtung - Das allererste Hubble Deep Field-Bild wurde über etwa 100 Stunden Belichtung aufgenommen . Das fällt Ihnen vielleicht mit den Augen schwer.

5. Aufbewahrung - Die Belichtungszeit beeinflusst, wie viele 'Daten' darüber aufbewahrt werden, wo Photonen auf die Aufzeichnungsoberfläche treffen. Ihre Augen werden sich nicht daran erinnern, dass ein Photon bereits eine Minute zuvor an einem Rezeptor registriert wurde. Ihre Augen sind überhaupt nicht gut für "Standbilder".

6. Lichtverschmutzung / universelle Expansion - Das Universum expandiert seit Milliarden von Jahren. Wenn sich das Licht ausdehnt, reicht es mehr bis zum roten Ende des sichtbaren Spektrums. Für ferne Galaxien bedeutet dies effektiv, dass sich das sichtbare Licht von ihnen so weit verschoben hat, dass es infrarot und unsichtbar ist, wenn es hier ankommt. Nun würde sich auch ultraviolettes Licht verschieben, wobei ein Teil davon "sichtbar" wird. Aber sobald es in unsere Atmosphäre gelangt, beginnt es sich mit jeglichen Effekten der "Lichtverschmutzung" zu vermischen. Ihre Augen sind überhaupt nicht gut darin zu verfolgen, welche Photonen aus welchen Quellen stammen.

Es gibt wahrscheinlich andere Faktoren, aber vielleicht sind diese mehr als genug, um anzuzeigen, wie groß das Problem ist. Beachten Sie, dass das frühe 100-Stunden-Hubble-Bild für Astronomen eine große Überraschung war. Selbst mit den bisher verfügbaren großen Lichtsammelteleskopen konnten sie nicht genug Licht für nützliche Daten erhalten. Diese früheren Geräte hatten viel größere Pupillen als Ihre, empfindlichere Bildoberflächen und konnten viel länger stillstehen als Sie. und es hatte immer noch Schwierigkeiten mit fernen Galaxien.

Nur weil Sie Ihre Augenlider offen halten können $x$ Sekunden bedeuten nicht, dass Sie Licht für sammeln $x$Sekunden und damit ein einziges Bild in Ihrem Gehirn zu bilden. Wie würden Sie das Foto "speichern"? Wie würden Sie entscheiden, wann die Lichtsammlung beendet wird? Sie wissen so gut wie ich, dass Sie nicht einfach den Finger vom Auslöser Ihres Gehirns nehmen können!

Und das kommt zu all den anderen Faktoren hinzu, die in anderen Antworten erläutert wurden (aber ich wollte diesen speziellen Punkt etwas weiter ausführen als die anderen Antworten.).

Ich denke, Ihre Frage ist eine Umformulierung des sogenannten "Obler-Paradoxons" - nämlich, wenn das Universum unendlich ist, warum ist der Nachthimmel nicht weiß, da unsere Sichtlinie früher oder später auf einen Stern trifft, und wenn auch sehr weit weg wäre unendlich Sterne da draußen.

Die Antwort darauf ist entweder (a) das Universum ist nicht unendlich oder (b) das Universum ist nicht für immer hier, und selbst wenn es unendlich ist, ist Licht von sehr weit weg noch nicht zu uns gekommen.

Fall (b) ist allgemein anerkannt - dh das Universum begann vor einer endlichen Zeit im "Urknall" - obwohl (a) umstritten ist - dh es kann sein, dass das Universum in keinem Fall unendlich ist.

Kann ein Mensch ein einzelnes Photon sehen?

Das menschliche Auge ist sehr empfindlich, aber können wir ein einzelnes Photon sehen? Die Antwort ist, dass die Sensoren in der Retina einem einzelnen Photon entsprechen. Neuronale Filter lassen jedoch nur dann ein Signal zum Gehirn gelangen, um eine bewusste Reaktion auszulösen, wenn mindestens fünf bis neun innerhalb von weniger als 100 ms eintreffen. Wenn wir einzelne Photonen bewusst sehen könnten, würden wir bei sehr schwachem Licht zu viel visuelles "Rauschen" erfahren, so dass dieser Filter eine notwendige Anpassung ist, keine Schwäche.

Nach diesem Papier http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Quantum/see_a_photon.html

Da dies für entfernte Galaxien nicht immer möglich ist, können wir entfernte Galaxien nicht sehen.

Der Kern der Frage wurde bereits beantwortet, aber es ist immer noch interessant zu veranschaulichen, wie schwierig es ist, mit bloßem Auge die extrem helle Galaxie M81 in der Nähe zu beobachten. Der Astronom Brian Skiff gibt einen Bericht über seine erfolgreiche Beobachtung mit bloßem Auge von dieser Galaxie hier .

Galaxien mit einer bestimmten Helligkeit sind aufgrund ihrer Ausdehnung schwieriger zu erkennen als Sterne mit derselben Helligkeit. Wenn der Himmel ausreichend dunkel ist, können Sie Sterne sehen, die so schwach wie Magnitude 8 sind, aber Sie werden immer noch Schwierigkeiten haben, M81 mit einer Helligkeit von Magnitude 7 zu erkennen. Die Magnitude 7 ist eine künstliche Figur, die durch Addition des einfallenden Lichts erhalten wird aus leicht unterschiedlichen Richtungen.

Außerdem ist nur eine geringe Menge Lichtverschmutzung erforderlich, damit das Himmelshintergrundbild nur ein kleines bisschen grau wird und die Galaxie nicht mehr sichtbar ist, während die Sichtbarkeit schwacher Sterne im Wesentlichen unberührt bleibt. Dies liegt daran, dass die Helligkeit in Abhängigkeit von der Position am Himmel im Falle eines Sterns einen sehr starken und schmalen Peak aufweist, während im Falle einer Galaxie aufgrund ihrer Ausdehnung kein großer Peak vorliegt. Die integrierte Helligkeit mag in beiden Fällen gleich sein, aber die Menge an Hintergrundlicht, die Sie benötigen, um die Galaxie unsichtbar zu machen, ist offensichtlich viel geringer als die, die Sie für den Stern benötigen.