¿Cómo tenemos fotos de galaxias tan lejos?

Una posible respuesta para esto es que la luz emitida por las galaxias viajó mil millones de millas hasta la Tierra, donde el telescopio espacial Hubble recogió esta luz a través de sus sensores y pudo construir una imagen de la galaxia.

pero si esto es cierto, y las galaxias están a miles de millones de millas de distancia, ¿no deberían dispersarse las partículas de luz emitidas por las galaxias por todo el lugar? Después de todo, han estado viajando durante millones de años, y probablemente han chocado con asteroides y otros objetos extraños. ¿Cuáles eran las posibilidades de que aproximadamente el 95% de los fotones llegaran a la Tierra, lo que nos da una imagen muy detallada?

Considere la galaxia de andrómeda que tiene una distancia de 1.492 × 10 ^ 19 millas de la tierra. Si la luz emitida por la galaxia viaja en todas las direcciones, entonces, ¿cómo es que todavía podemos mapear toda la galaxia, evidente en la foto de abajo?

¿No debería faltar la mitad de la galaxia ya que los fotones podrían haber golpeado otros objetos y "nunca haber llegado a la Tierra"?

Hay dos razones por las que, a menudo, pero no siempre, la luz de las galaxias a millones e incluso miles de millones de años luz de distancia atraviesa el Universo y llega hasta nosotros:

1. Primero, el medio intergaláctico (IGM) es extremadamente diluido. La densidad numérica de partículas es del orden , ¡o aproximadamente 26 órdenes de magnitud más bajas que el aire al nivel del mar! Eso significa que si considera un tubo desde Andrómeda hasta la Vía Láctea con un área de sección transversal de$n\sim10^{-7}\,\mathrm{cm}^{-3}$ , contendrá aproximadamente un microgramo de materia (gracias a Rob Jeffries por detectar unerror defactor 10 6 ).$1\,\mathrm{cm}^{2}$$10^6$

2. En segundo lugar, incluso si un fotón se acerca a un átomo, solo será absorbido si su energía coincide estrechamente con alguna transición en el átomo. Dado que la mayoría de los átomos están ionizados (y, por lo tanto, deberían llamarse plasma, pero en astronomía la distinción si no se hace a menudo), no hay electrones para absorber el fotón. Es más probable que los fotones interactúen con los electrones libres a través de la dispersión de Thomson, pero la sección transversal de Thomson es inmensamente pequeña , por lo que incluso si considera losfotones CMB, que han viajado a través del Universo casi desde el Big Bang, solo alrededor del 5% de ellos han interactuado con electrones en su camino.$(\sim10^{-24}\,\mathrm{cm}^{2})$

En otras palabras: la cantidad de luz transmitida depende de dos factores: 1) la cantidad de materia a lo largo de la línea de visión, y 2) la capacidad de esa materia para absorber la luz. En el IGM, ambos son tremendamente pequeños. Cuando la luz entra en el inter estelar medio (ISM) en el interior de nuestra galaxia, puede encontrarse más densas nubes con átomos que son capaces de absorber la luz. Pero generalmente (aunque no siempre) "denso" sigue siendo muy diluido en comparación con la atmósfera de la Tierra.

En general, si un haz de luz atraviesa una región de partículas, cada una con una sección transversal (medida, por ejemplo, en cm 2 ), pasando N partículas por área del haz (medida, por ejemplo, en cm - 2 ), entonces la opacidad del el medio viene dado por la profundidad óptica τ , definida por τ ≡ $\sigma$$^2$$N$$^{-2}$ $\tau$ La fracción transmitida f de fotones es entonces f = e - τ . En general, σ depende de la longitud de onda y, por lo tanto, parte del espectro puede pasar sin obstáculos, mientras que otra parte puede ser completamente absorbida.

La siguiente figura (a partir de aquí ) muestra el espectro de un cuásar que se encuentra a una distancia de 22 mil millones de años luz, es decir, veces más lejos que Andrómeda. Usted ve que hay varias líneas de absorción delgadas (causadas por nubes de hidrógeno que intervienen cuyas densidades son un factor de 10-100 más alto que el IGM), pero aún así la mayor parte de la luz llega hasta nosotros.$10\,000$

Debido a que la luz que vemos de este quásar se emitió hace mucho tiempo, el Universo era considerablemente más pequeño en ese momento y, por lo tanto, la densidad era más grande. Sin embargo, solo se absorbe una pequeña fracción. Cuanto más lejos se emite la luz, hace más tiempo, lo que significa un universo más pequeño y una mayor densidad, y por lo tanto, se absorbe más luz. Si considera este cuásar (desde aquí ) que se encuentra a 27 mil millones de años luz de distancia, verá que se absorbe mucha más luz en parte del espectro. Aún así, sin embargo, mucha luz nos llega.

La razón por la que solo se absorben las longitudes de onda cortas es bastante interesante, pero esa es otra historia.

Como dice Rob Jeffries, el universo es principalmente un espacio vacío. Un fotón puede viajar fácilmente miles de años luz sin interactuar con nada. La mayor parte de la interacción ocurriría cuando los fotones entraran a la atmósfera terrestre. El Hubble evita esto. Lo más probable es que estas fotos combinaran varias sesiones de visualización, lo que básicamente proporciona un período de tiempo extendido para observar la galaxia.

Hay una idea errónea en su pregunta, no creo que se hayan abordado las otras respuestas.

Si la luz emitida por la galaxia viaja en todas las direcciones, entonces, ¿cómo es que todavía podemos mapear toda la galaxia?

La luz se emite desde la galaxia en todas las direcciones. Solo una fracción muy pequeña se dirige a la Tierra, y de eso, cualquier telescopio recoge una fracción aún más pequeña. Pero aún podemos verlo, porque las galaxias son muy, muy brillantes. Andrómeda contiene alrededor de un billón de estrellas.

Lo siento si esta lógica parece un poco circular, pero podemos obtener imágenes de las galaxias sin oscurecer porque no están ocultas.

Como se ha mencionado, el espacio es muy, muy grande y muy, muy vacío. Es difícil para nosotros contemplarlo porque hay muchas cosas a nuestro lado, pero en realidad es una condición realmente inusual. La próxima estrella al Sol está a más de 4 años luz de distancia, pero obtenemos casi toda (99.9999999999 ...%) la luz que se dirige en nuestra dirección, lo mismo con la luz de más lejos, obtenemos una gran cantidad de fotones enviados desde objetos muy lejanos.

Hubble también utiliza las técnicas simples de cámara de lentes y largas exposiciones para tomar imágenes de objetos distantes, por lo que se recibe más luz para construir la imagen.

Pero, la otra parte de esto, es casi imposible tomar una foto de una galaxia (o estrella) que está detrás de otra galaxia o nube de polvo. Por ejemplo, no podemos ver fácilmente más allá del centro de nuestra propia galaxia, porque hay mucho polvo, gas y estrellas en el camino. La imagen en su pregunta, por el otro, parece ser Andrómeda, que está por encima del plano de la galaxia. Nuestra galaxia es bastante delgada en comparación con su diámetro, y estamos a una salida decente del centro galáctico, lo que significa que hay muchas menos cosas en el camino.

Y hay algunas galaxias de las que hemos tomado imágenes que están oscurecidas por el polvo:

Ya ha habido algunas buenas respuestas, pero me gustaría agregar mi dos pennyworth:

¿Cómo tenemos fotos de galaxias tan lejos?

Porque no hay mucho entre ellos y nosotros que interfiera con la luz que llega a nuestras cámaras.

Una posible respuesta para esto es que la luz emitida por las galaxias viajó mil millones de millas hasta la Tierra, donde el telescopio espacial Hubble recogió esta luz a través de sus sensores y pudo construir una imagen de la galaxia.

Son mil millones de millas hasta Saturno . Bueno, en realidad la distancia varía con las órbitas, pero vea este artículo de Space.com : "En su punto más distante, cuando se encuentran en lados opuestos del sol entre sí, están a poco más de mil millones de millas (1.7 mil millones de kilómetros) de distancia" . La galaxia de Andrómeda está a unos quince mil millones de millas de distancia. O alrededor de quince quintillones de millas.

pero si esto es cierto, y las galaxias están a miles de millones de millas de distancia, ¿no deberían dispersarse las partículas de luz emitidas por las galaxias por todo el lugar?

No olvide que los fotones tienen una naturaleza de onda E = hf. Y que a pesar de que están dispersos en el aire, aún se puede ver la Luna. Sí, hay un poco de luz que se extravía en el espacio. Pero no tanto que el cielo nocturno sea una neblina nebulosa en blanco. Puedes ver Saturno también. Y las estrellas Y las galaxias, pero son bastante tenues .

Después de todo, han estado viajando durante millones de años, y probablemente han chocado con asteroides y otros objetos extraños. ¿Cuáles eran las posibilidades de que aproximadamente el 95% de los fotones llegaran a la Tierra, lo que nos da una imagen muy detallada?

Las posibilidades son altas. Tenemos imágenes de planetas y cosas porque las posibilidades son altas.

Considere la galaxia de Andrómeda que tiene una distancia de 1.492 × 10 ^ 19 millas de la Tierra. Si la luz emitida por la galaxia viaja en todas las direcciones, entonces, ¿cómo es que todavía podemos mapear toda la galaxia, evidente en la foto de abajo?

Si estuviera cubierto de luces, emitiría luz en todas las direcciones, y me verías porque algo de esa luz entra en tus ojos. La galaxia de Andomeda es similar.

¿No debería faltar la mitad de la galaxia ya que los fotones podrían haber golpeado otros objetos y "nunca haber llegado a la Tierra"?

No. Y si la mitad de los fotones no llegaran a la Tierra, verías una galaxia más tenue, eso es todo.

Déjame darte algunas explicaciones simples.

No no no. El 95% de los fotones no llegan a la Tierra. Incluso si el 5% de los fotones emitidos (en unos pocos segundos) por una sola estrella, digamos, por nuestro Sol hubiera alcanzado la Tierra, ¡nuestro planeta se habría quemado por completo! Ahora bien, Andrómeda tiene cientos de miles de millones de estrellas (o soles). Nada de eso nos alcanza, excepto un número infinitamente pequeño. ¡Es alucinante lo pequeño que es el porcentaje de fotones que nos alcanzan! Puedes tratar de calcular eso más o menos. Es muy fácil calcular qué porcentaje de fotones emitidos por el Sol llega a la Tierra. ¡Y el Sol está a solo 8 minutos de la Tierra, mientras que Andrómeda está a más de 2.5 millones de años! Entonces, en realidad, no es tan difícil imaginar cuántos fotones nos alcanzan.

Ahora, ¿por qué los asteroides, los planetas o las estrellas no bloquean todo? ¡Andrómeda es demasiado grande para ser bloqueada así! ¡Es más fácil bloquear la vista del Océano Pacífico desde el espacio colocando algunas motas de polvo en el medio! El diámetro de Andrómeda es de más de 200 millones de años luz. ¿Podemos bloquearlo de la vista? En realidad, puede ser bloqueado por algo tan grande como una nebulosa cercana a nuestro sistema solar. Tal nebulosa debe tener muchos años luz de diámetro; debe ser lo suficientemente denso; y no muy lejos Afortunadamente, nada de eso bloquea esta hermosa galaxia de nuestra vista. Sin embargo, sucede con algunas otras galaxias y objetos del espacio profundo. En cuanto a las nebulosas muy distantes, no bloquearán a Andrómeda de nuestra vista porque se verán demasiado pequeñas en el contexto de Andrómeda, que está mucho más lejos.

¿Por qué no se dispersa la luz? ¿Por qué debería dispersarse tanto para hacer que Andrómeda se vuelva borrosa? Cuando la Luna está en el horizonte, su luz viaja a través de muchos cientos de millas de atmósfera densa casi paralela a la superficie de la Tierra; Sin embargo, todavía podemos entrenar nuestros telescopios en él y ver las diversas características de la Luna. No sería una vista muy limpia, pero aún así veríamos mucho. Ahora, en el espacio, la luz viaja a través de un vacío casi completo, especialmente vacío es el vacío entre las galaxias. Entonces, no hay razón para que la luz se disperse demasiado. Los fotones y muchas otras partículas son lo suficientemente estables y pueden viajar distancias mucho mayores: miles de millones de años luz. Otra forma de verlo es hacer una pregunta sobre cuántos fotones deben desviarse de su camino recto para que Andrómeda se vuelva borrosa. Bueno, tienen que ir mucho de lado, y el diámetro de Andrómeda es demasiado grande para eso. Eso no parece lógico, ya que los fotones viajan en línea recta. Los objetos grandes, como las estrellas y los agujeros negros afectarán su camino, pero el diámetro de Andrómeda es tan grande que no es una opción, a menos que coloquemos artificialmente billones de agujeros negros a lo largo de la línea entre Andrómeda y nuestro sistema solar en un intento de deformar el imagen de Andrómeda o para hacer que estos agujeros negros engullen toda la luz de la galaxia. Entonces, cuando los astrónomos dicen que la mayor parte de la luz nos llega, significan que el espacio intergaláctico es un vacío casi completo, y que los fotones que van exactamente en nuestra dirección son "libres" de ir. Sin embargo, solo un número infinitamente pequeño de ellos va exactamente en nuestra dirección y todavía es suficiente para tomar buenas fotos. ¿Por qué? Es por eso: Eso no parece lógico, ya que los fotones viajan en línea recta. Los objetos grandes, como las estrellas y los agujeros negros afectarán su camino, pero el diámetro de Andrómeda es tan grande que no es una opción, a menos que coloquemos artificialmente billones de agujeros negros a lo largo de la línea entre Andrómeda y nuestro sistema solar en un intento de deformar el imagen de Andrómeda o para hacer que estos agujeros negros engullen toda la luz de la galaxia. Entonces, cuando los astrónomos dicen que la mayor parte de la luz nos llega, significan que el espacio intergaláctico es un vacío casi completo, y que los fotones que van exactamente en nuestra dirección son "libres" de ir. Sin embargo, solo un número infinitamente pequeño de ellos va exactamente en nuestra dirección y todavía es suficiente para tomar buenas fotos. ¿Por qué? Es por eso: Eso no parece lógico, ya que los fotones viajan en línea recta. Los objetos grandes, como las estrellas y los agujeros negros afectarán su camino, pero el diámetro de Andrómeda es tan grande que no es una opción, a menos que coloquemos artificialmente billones de agujeros negros a lo largo de la línea entre Andrómeda y nuestro sistema solar en un intento de deformar el ¡imagen de Andrómeda o para hacer que estos agujeros negros engullen toda la luz de la galaxia! Entonces, cuando los astrónomos dicen que la mayor parte de la luz nos llega, significan que el espacio intergaláctico es un vacío casi completo, y que los fotones que van exactamente en nuestra dirección son "libres" de ir. Sin embargo, solo un número infinitamente pequeño de ellos va exactamente en nuestra dirección y todavía es suficiente para tomar buenas fotos. ¿Por qué? Es por eso: como las estrellas y los agujeros negros afectarán su camino, pero el diámetro de Andrómeda es tan grande que no es una opción, a menos que coloquemos artificialmente billones de agujeros negros a lo largo de la línea entre Andrómeda y nuestro sistema solar en un intento de deformar la imagen de Andrómeda. ¡o para hacer que estos agujeros negros engullen toda la luz de la galaxia! Entonces, cuando los astrónomos dicen que la mayor parte de la luz nos llega, significan que el espacio intergaláctico es un vacío casi completo, y que los fotones que van exactamente en nuestra dirección son "libres" de ir. Sin embargo, solo un número infinitamente pequeño de ellos va exactamente en nuestra dirección y todavía es suficiente para tomar buenas fotos. ¿Por qué? Es por eso: como las estrellas y los agujeros negros afectarán su camino, pero el diámetro de Andrómeda es tan grande que no es una opción, a menos que coloquemos artificialmente billones de agujeros negros a lo largo de la línea entre Andrómeda y nuestro sistema solar en un intento de deformar la imagen de Andrómeda. ¡o para hacer que estos agujeros negros engullen toda la luz de la galaxia! Entonces, cuando los astrónomos dicen que la mayor parte de la luz nos llega, significan que el espacio intergaláctico es un vacío casi completo, y que los fotones que van exactamente en nuestra dirección son "libres" de ir. Sin embargo, solo un número infinitamente pequeño de ellos va exactamente en nuestra dirección y todavía es suficiente para tomar buenas fotos. ¿Por qué? Es por eso: ¡a menos que coloquemos artificialmente billones de agujeros negros a lo largo de la línea entre Andrómeda y nuestro sistema solar en un intento de deformar la imagen de Andrómeda o hacer que estos agujeros negros engullen toda la luz de la galaxia! Entonces, cuando los astrónomos dicen que la mayor parte de la luz nos llega, significan que el espacio intergaláctico es un vacío casi completo, y que los fotones que van exactamente en nuestra dirección son "libres" de ir. Sin embargo, solo un número infinitamente pequeño de ellos va exactamente en nuestra dirección y todavía es suficiente para tomar buenas fotos. ¿Por qué? Es por eso: ¡a menos que coloquemos artificialmente billones de agujeros negros a lo largo de la línea entre Andrómeda y nuestro sistema solar en un intento de deformar la imagen de Andrómeda o hacer que estos agujeros negros engullen toda la luz de la galaxia! Entonces, cuando los astrónomos dicen que la mayor parte de la luz nos llega, significan que el espacio intergaláctico es un vacío casi completo, y que los fotones que van exactamente en nuestra dirección son "libres" de ir. Sin embargo, solo un número infinitamente pequeño de ellos va exactamente en nuestra dirección y todavía es suficiente para tomar buenas fotos. ¿Por qué? Es por eso: solo un número infinitamente pequeño de ellos va exactamente en nuestra dirección y todavía es suficiente para tomar buenas fotos. ¿Por qué? Es por eso: solo un número infinitamente pequeño de ellos va exactamente en nuestra dirección y todavía es suficiente para tomar buenas fotos. ¿Por qué? Es por eso:

$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$

En cuanto a qué tan grande es en el cielo nocturno, bueno, longitudinalmente es aproximadamente seis veces el diámetro de la luna, pero solo se puede ver la parte central brillante. Para ver todo el alcance, necesita un telescopio de gran apertura y una fotografía de larga exposición para reunir más luz y producir una imagen mejor y más detallada.

Espero que esta explicación primitiva sea de alguna ayuda. Andromeda es visible hoy si el clima lo permite :)