¿Por qué no podemos ver galaxias distantes a simple vista?

Si la luz sigue viajando en línea recta, ¿por qué no podemos ver galaxias distantes a simple vista? ¿Seguramente si mirabas lo suficiente, la luz de ellos eventualmente golpearía tu ojo? Pido disculpas si esta es una pregunta tonta :)

¿Seguramente si mirabas lo suficiente, la luz de ellos eventualmente golpearía tu ojo?

Recolectar luz durante un largo período de tiempo es cómo los telescopios pueden ver objetos muy tenues. El sistema visual humano no funciona de esa manera.

Por un lado, incluso cuando crees que estás mirando algo, tus ojos aún bailan un poco. Es una respuesta incorporada llamada microtremors oculares. Estos microtremors parecen ser una parte esencial para hacer que el sistema de visión sea funcional.

Por otro lado, su ojo no puede y no puede recoger la luz durante períodos de tiempo arbitrariamente largos (como puede hacerlo un telescopio fotográfico). Hay una inmensa cantidad de procesamiento de señales que ocurre en el ojo y en el camino hacia el cerebro. Este procesamiento de la señal depende de la luz que se recolecta durante cortos períodos de tiempo.

Nuestro sistema de visión evolucionó para ver alimentos, amigos y peligros en condiciones bien iluminadas. Somos muy buenos para ver movimiento a plena luz del día. No somos tan buenos para ver objetos estacionarios, y tampoco somos buenos para ver fuentes apenas visibles bajo cielos muy oscuros.

La astronomía del ojo desnudo está limitada por la naturaleza del sistema de visión humana. El objeto más remoto que podemos ver es la Triangulum Galaxy, y eso solo bajo condiciones de cielos extremadamente oscuros y extremadamente claros.

No es en absoluto una pregunta tonta, pero en realidad se puede ver galaxias distantes con el ojo desnudo. Desde el hemisferio norte, la galaxia de Andrómeda, nuestra galaxia vecina más grande, es visible si sabes dónde mirar, y está en un lugar razonablemente oscuro. Desde el hemisferio sur, son visibles las dos galaxias irregulares más pequeñas, pero más cercanas, llamadas Nubes de Magallanes Pequeñas y Grandes.

La razón por la que las galaxias más distantes no son visibles se debe a la ley del cuadrado inverso : a medida que las partículas de luz (fotones) retroceden de la galaxia (o cualquier otra fuente de luz), se distribuyen sobre una superficie cada vez mayor. Eso significa que un detector (por ejemplo, su ojo) de un área determinada capturará menos fotones, cuanto más lejos esté de la galaxia. La ley dice que si en un intervalo de tiempo Δt en promedio detecta, digamos, 8 fotones a una distancia D, entonces, en el mismo intervalo de tiempo, a una distancia 2D, detectará 8/2 ² = 2 fotones. A una distancia de 4D, detectará 8/4 ² = 0.5 fotones. O, de manera equivalente, necesitará el doble de tiempo para detectar un solo fotón.

La conclusión es que, en principio, puedes ver galaxias muy distantes, pero los fotones son tan pocos y llegan tan raramente que tu ojo no es un detector lo suficientemente bueno. El beneficio de un telescopio es que 1) tiene un área más grande que su ojo, y 2) puede colocar una cámara en su punto focal en lugar de su ojo y tomar una fotografía con un tiempo de exposición grande, es decir, aumentar el Δt.

Su razonamiento sería válido no solo para las galaxias, sino también para las estrellas y cualquier cosa que brille en el Universo, pero hay un efecto importante que lo invalida: la absorción de la luz.

El medio intergaláctico e interestelar está lleno de polvo y gas, lo que contribuye a absorber y dispersar la luz de los objetos distantes. Especialmente en el plano de nuestra galaxia, todavía tenemos mucho gas y polvo (la Vía Láctea es una galaxia relativamente joven): de hecho, para mirar objetos distantes tratamos de orientar nuestros telescopios hacia el Lockman Hole , siempre que sea posible.

Esto es especialmente válido para la luz de baja frecuencia: a energías más altas, la dispersión y absorción de rayos X y rayos gamma a partir de una cantidad estándar de material absorbente es insignificante (incluso si, cuanto más lejos se mira, más jóvenes son los objetos, más es el polvo y el gas disponible que todavía no está bloqueado en las estrellas).

Además, considere la paradoja de Olbers , que indica que un Universo en expansión representa el "cielo oscuro".

1. Pocos fotones: tienes pupilas pequeñas. Solo los fotones que logran viajar tan lejos a lo largo de esa distancia a lo largo de un camino que logra cruzarse con sus pequeñas pupilas tendrán la oportunidad de ser vistos. Y solo algunos fotones que alcanzan la retina en realidad interactúan con moléculas que registran su llegada.

2. Interferencia: las moléculas de la atmósfera, el polvo en la atmósfera, la reflexión / refracción de y en su ojo, el polvo en el sistema solar, la nube de Oort, el polvo interestelar en nuestra galaxia, el polvo en el espacio intergaláctico, cualquier molécula a lo largo del camino, todos pueden absorber cualquiera de los pocos fotones y reemitirlos en una dirección diferente.

3. Estabilidad: los telescopios, especialmente como el Hubble, pueden ser realmente muy comparados con sus ojos. Sus ojos no solo realizan pequeños cambios constantemente, sino que también respira y su corazón late y otras cosas evitan que se formen imágenes muy tenues.

4. Exposición: la primera imagen de campo profundo del Hubble se recopiló durante aproximadamente 100 horas de exposición . Puede que te resulte difícil con tus ojos.

5. Retención: el tiempo de exposición afecta la cantidad de "datos" que se retienen sobre dónde los fotones han tocado la superficie de grabación. Sus ojos no recordarán que un fotón se registró en un receptor incluso un minuto antes. Tus ojos no son buenos para la fotografía fija.

6. Contaminación lumínica / expansión universal: el universo se ha expandido durante miles de millones de años. A medida que se expande, la luz que se propaga a través del espacio "se estira" más hacia el extremo rojo del espectro visible. Para galaxias distantes, esto significa efectivamente que la luz visible de ellas se ha desplazado lo suficiente como para ser infrarroja e invisible para cuando llegue aquí. Ahora, la luz ultravioleta también cambiaría, y parte de ella se volvería 'visible'. Pero luego comienza a mezclarse con cualquier efecto disperso de 'contaminación lumínica' una vez que llega a nuestra atmósfera. Tus ojos no son buenos para hacer un seguimiento de qué fotones provienen de qué fuentes.

Probablemente haya otros factores, pero quizás sean más que suficientes para indicar qué tan grande es el problema. Tenga en cuenta que la imagen de Hubble de las primeras 100 horas fue una gran sorpresa para los astrónomos. Incluso con los grandes telescopios de recolección de luz disponibles anteriormente, no pudieron obtener suficiente luz para datos útiles. Ese equipo anterior tenía pupilas mucho más grandes que las suyas, superficies de imágenes más sensibles y podía 'quedarse quieto' mucho más tiempo que usted; y todavía tenía dificultades con galaxias distantes.

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Y eso está por encima de todos los otros factores como se explica en otras respuestas (pero quería enfatizar este punto en particular un poco más que las otras respuestas).

Creo que su pregunta es un replanteamiento de lo que se conoce como "la paradoja de Obler", es decir, si el universo es infinito, ¿por qué el cielo nocturno no es blanco, ya que tarde o temprano nuestra línea de visión golpea una estrella, e incluso si está muy lejos? serían infinitas estrellas por ahí.

La respuesta a esto es (a) el Universo no es infinito o (b) el Universo no ha estado aquí para siempre, por lo que incluso si es infinito, la luz de muy lejos aún no nos ha llegado.

El caso (b) es generalmente aceptado, es decir, el Universo comenzó hace un tiempo finito en el "big bang", aunque (a) está en disputa, es decir, puede ser que el universo no sea infinito en ningún caso.

¿Puede un humano ver un solo fotón?

El ojo humano es muy sensible, pero ¿podemos ver un solo fotón? La respuesta es que los sensores en la retina pueden responder a un solo fotón. Sin embargo, los filtros neurales solo permiten que una señal pase al cerebro para desencadenar una respuesta consciente cuando al menos aproximadamente cinco a nueve llegan en menos de 100 ms. Si pudiéramos ver conscientemente fotones individuales, experimentaríamos demasiado "ruido" visual con muy poca luz, por lo que este filtro es una adaptación necesaria, no una debilidad.

De acuerdo con este documento http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Quantum/see_a_photon.html

Como esto no siempre es posible para galaxias distantes, no podemos ver galaxias distantes.

El núcleo de la pregunta ya ha sido respondido, pero sigue siendo interesante ilustrar cuán difícil es hacer observaciones a simple vista de la galaxia cercana extremadamente brillante M81. El astrónomo Brian Skiff da cuenta de su exitosa observación a simple vista de esta galaxia aquí .

Ahora, las galaxias de un brillo dado son más difíciles de detectar que las estrellas del mismo brillo, debido a su naturaleza extendida. Si el cielo está suficientemente oscuro, entonces puedes ver estrellas tan débiles como la magnitud 8, pero aún así tendrás dificultades para detectar M81 que tiene un brillo de magnitud 7. La magnitud 7 es una figura artificial obtenida al sumar la luz que viene desde direcciones ligeramente diferentes.

Además, solo necesita una pequeña cantidad de contaminación lumínica para hacer que el cielo retroceda un poco gris para hacer que la galaxia desaparezca de la vista, mientras que la visibilidad de las débiles estrellas no se ve afectada. Esto se debe a que el brillo en función de la posición en el cielo en el caso de una estrella tiene un pico muy fuerte y estrecho, mientras que en el caso de una galaxia, debido a su naturaleza extendida, no muestra un gran pico. El brillo integrado puede ser el mismo para ambos casos, pero la cantidad de luz de fondo que necesita para hacer que la galaxia sea invisible es obviamente mucho menor que la que necesita para la estrella.